Institut Universitaire de Technologie de TOURSDépartement Génie Electrique et Informatique Industrielle

D o s s i e r d e p r é s e n t a t i o n d e P r o j e t T u t o r éD o s s i e r d e p r é s e n t a t i o n d e P r o j e t T u t o r é

Le chargeur solaire deLe chargeur sola ire de batter iebatter ie

Dinh-Michel DEGUYENNE Thibaud LEVRARD

Promotion 2004-2006Groupe A2

M. BRAULTM. OLIVIER

Institut Universitaire de Technologie de TOURSDépartement Génie Electrique et Informatique Industrielle

D o s s i e r d e p r é s e n t a t i o n d e P r o j e t T u t o r éD o s s i e r d e p r é s e n t a t i o n d e P r o j e t T u t o r é

Le chargeur solaire deLe chargeur sola ire de batter iebatter ie

Dinh-Michel DEGUYENNE Thibaud LEVRARD

Promotion 2004-2006Groupe A2

M. BRAULTM. OLIVIER

S ommai reS ommai reIntroduction 41. Descriptif du projet 5 1.1 Projet initial 1.2 Projet revu 1.3 Principe de fonctionnement

2. Cahier des charges 72.1 Origine du produit2.2 Finalité du produit.2.3 Planning prévisionnel2.4 Prix2.5 Environnement2.6 Description des fonctions principales2.7 Durée de fonctionnement2.8 Compatibilité2.9 Puissance2.10 Protections

3. Choix techniques et technologiques 10 3.1 Choix du montage 3.2 Montage retenu 3.3 Etude des différents composants

Conclusion 17Résumé 18Table des illustrations 19Bibliographie 20Annexe 21

I n t rodu ct i onIn t rodu ct i on

Dans le cadre des projets tutorés, il nous a été proposé de réaliser en autonomie le prototype d'un produit industriel. La totalité de l'étude est réalisée par nos soins. C'est à dire que nous avons à concevoir les circuits, dimensionner les composants, trouver des solutions technologiques, gérer notre planning;...

Nous avons choisi pour notre part de réaliser un chargeur solaire de batterie ; ce choix de projet s'explique par l'engouement croissant pour les énergies renouvelables.

Ce rapport ne résume que la phase de pré étude de notre projet. Certaines notions technologiques n'ont de plus pas encore pu être étudiées ; comme la technologie des transistors par exemple.

Dans une première partie nous présenterons le projet lui même, puis nous définirons le cahier des charges ; nous étudierons ensuite le montage que nous prévoyons de réaliser.

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1. Descriptif du projetNotre projet s’est jusqu’ici décomposé en deux étapes. Nous avons dans un

premier temps choisi une idée de réalisation de projet. Puis, nous avons étudié la faisabilité du projet. Pour cette raison nous avons dans cette partie le projet initiale et le projet revu.

Le projet revu est notre objectif final. Cependant, il se peut que les études pratiques qui suivront ce dossier nous pousse à re-modifier légèrement le projet. Ceci afin de s’adapter aux contraintes réelles imposées par notre cahier des charges.

1.1 Projet initialLe chargeur solaire que nous envisagions de réaliser était prévu pour être placé

dans une automobile. Nous avions imaginé alimenter le climatiseur d’une voiture afin de réduire la consommation propre d’un véhicule à essence.

Après une visite chez un garagiste (garage machin…), il s’est avéré que les climatiseurs de voiture s’alimentaient principalement grâce à l’arbre principal du moteur à explosion ; seules quelques impulsions électriques étant fourni directement par la batterie de la voiture.

Au vu des faibles gains que nous aurions pu obtenir, nous avons décidé de modifier notre projet.

1.2 Projet revuNous avons alors défini que notre système devrait pouvoir alimenter des

appareils mobiles tels que des ordinateurs portables, téléphone mobile… Ceci pour aller dans la continuité du projet initiale : diminuer la consommation de carburant.

Trois éléments principaux constituent notre projet. Le panneau solaire, la batterie et une carte électronique. Ces trois éléments seront placé dans la voiture et permettront à un utilisateur de recharger ses appareils mobiles.

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1.3 Principe de fonctionnementLe principe de fonctionnement de notre projet est donc le suivant.

– Un panneau solaire charge une batterie.

– La batterie emmagasine de l’énergie en permanence.

– La batterie sert de réservoir d’énergie pour les appareils qui viennent s’y brancher en aval.

– Un circuit fait l’interface entre le panneau solaire, la batterie et les appareils mobiles. Il permet de gérer la charge, la protection des composants et d’informer l’utilisateur sur l’état de la batterie.

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2.Cahier des chargesEtant donné le milieu dans lequel le chargeur sera placé, les composants que

nous utiliserons devront répondre à certaines contraintes ; aussi bien physiques (température de fonctionnement, encombrement…) qu’économique. Le cahier des charges permet de regrouper et de définir toutes ces contraintes.

2.1Origine du produitLe projet de chargeur solaire est né d’une volonté de réduire la consommation

en carburant d’une automobile. Cela afin de réduire la facture de carburant mais aussi de limiter la pollution engendrée.

2.2 Finalité du produitL’énergie produite et stockée permettra à l’utilisateur de recharger ses

appareils mobiles. Il pourra ainsi acquérir une plus grande autonomie vis-à-vis d’un point de raccordement au réseau d’EDF.

2.3 Planning prévisionnelNous avons défini le planning prévisionnel suivant.

2.4 PrixLe chargeur solaire est réalisé dans le cadre des projets tutorés de la matière

« Etude et réalisation » . Une limite de 100€ a été proposée pour réaliser notre prototype de produit.

Cahier des charges

Recherche différentes solutions

Test du montage

Réalisation de la carte

Mise en oeuvre et test

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2.5 EnvironnementLe chargeur solaire est étudié pour être placé dans une voiture. Les éléments

que nous allons utilisés doivent pouvoir fonctionner dans une plage de température allant de 0° à 60°C.

Deux configurations du chargeur solaire sont envisagées :

– soit le panneau solaire sera placé sur la plage arrière et la batterie dans le coffre,

– soit le panneau solaire sera placé à l’avant et la batterie aux pieds du passager avant.

Ces deux configurations permettront de ne pas avoir une longueur de câble excessive (<80cm). Cela permet de réduire les pertes engendrées par la résistance des fils.

2.6 Description des fonctions principalesLe produit peut se décomposé sous forme de trois fonction principales :

FP1. « Production d’énergie »

Cette première fonction ne concerne que le panneau solaire.

FP3. « Gestion de l’énergie »

Cette deuxième fonction représente le circuit électrique que nous allons mettre en œuvre. Cette fonction principale permettra de gérer la charge de la batterie, de protéger les divers éléments du produit ; la batterie, le panneau solaire ou encore les composants électrique (diodes, amplificateur opérationnels …).

FP2. « Stockage de l’énergie »

Cette dernière fonction concerne principalement la batterie.

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2.7 Durée de fonctionnementNous avons définis que notre batterie une fois chargée devait pouvoir

recharger un ordinateur portable pendant une durée minimum de deux heures. Nous avons choisi l’ordinateur portable car il présente une forte consommation d’énergie. Les deux heures minimum nous paraissent être un bon compromis entre le temps de recharge moyen d’un portable et la taille de la batterie.

2.8 CompatibilitéNous voulions que notre chargeur soit compatible avec le maximum

d’appareils mobiles possibles. Au vu de l’environnement nous avons choisi que l’utilisateur se brancherait à notre produit par le biais d’une prise « allume cigare » .

La prise allume cigare est une prise normalisée. Sa tension est celle fournie par la batterie des voitures, soit 12V.

De nombreux adaptateurs dans le commerce permettent de faire l’interface entre les appareils mobiles et la prise allume cigare.

2.9 PuissanceL’ordinateur portable représente donc le pire des cas pour notre produit

puisqu’il nécessite beaucoup d’énergie. Une consommation maximale a été définie pour que les deux heures minimales d’autonomie soient respectées. Cette puissance active maximale a été fixée à 60W.

Chargeur BatterieConversiond'énergie

Comparateur

Soleil

FP1

FP2 FP3

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2.10 ProtectionsLe montage devra être muni de protection contre le reflux1 et les

augmentations de tension. Cela afin que les composants du montage ne soit pas détruits.

1 Le reflux se produit lorsque la tension aux bornes de la batterie dépasse celle aux bornes du panneau solaire. Cela conduit à une détérioration du panneau solaire puisque la batterie se décharge dans celui ci.

10

3.Choix techniques et technologiquesPour répondre au mieux au cahier des charges, nous avons effectué des choix

au niveau technologique et technique.

Nous avons ensuite étudié les éléments du montage retenue puis sélectionné les éléments correspondant le mieux à nos besoins.

3.1 Choix du montagePour notre fonction « gestion de l’énergie », nous avons comparé trois

montages qui nous paraissaient être les plus intéressants. Puis nous avons choisi celui qui correspondait le mieux à nos attentes.

3.1.1 « Alimentation ininterruptible »

Ce chargeur permet d'avoir une alimentation inintérruptible à travers des piles de type R6 et peut simultanément alimenter une charge extérieur sous une tension de 5V et dont la conssomation n'excède pas 400mA.

Comme dans tout chargeur on a une diode d'anti décharge de l'accumulateur. Afin d'obtenir les valeurs souhaitées le circuit utilise un régulateur (LT1300). Pour protéger la batterie des surcharges, on utilise un potentiomètre afin de fixer la tension de seuil et un circuit intégrer.

Conclusion : ce montage fourni les protections requisent par le cahier des charges. Sa tension de sortie doit cependant être changée et la puissance augmentée.

3.1.2 « Alimentation régulée 5 et 12V »

Ce montage permet de réguler la charge d'un accumulateur par panneau solaire et également de fournir deux tensions régulées de 5 et 12V à l'aide de convertisseur DC-DC. La batterie est chargé par le panneau solaire par le biais d'une diode zener.

Les deux tensions transitent par le convertisseur DC-DC afin que la tension de sortie soit stable. Les convertisseurs sont réglés de tel sorte que les batteries soient totalement déchargées lors d'une alimentation de circuit.

Illustration 1: Montage alimentation ininterruptible

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Conclusion : Ce montage permet lui aussi de fournir les protections requisent par le cahier des charges, mais sa puissance reste très inferieur à celle que l'on recherche.

3.1.3 « Chargeur de batterie par panneau solaire »

Illustration 2: Alimentation 5 et 12V

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Ce circuit permet de charger une batterie 12V grâce à un panneau solaire et offre une alimentation inintérruptible. Il utilise une diode Schottky pour la charge et la protection contre le reflux.

Afin d'éviter la décharge de la batterie, le circuit utilise un comparateur afin de bloquer ou non le système de charge. La tension de charge pourra être facilement réglable grâce à un potentiomètre à l'entrée du comparateur.

3.1.4 Tableau récapitulatif

Le tableau suivant nous donne une vue globale des principales caractéristiques des trois montages.

Alimentation in interruptible

Alimentation régulée 5 et 12V

Chargeur de batterie par

panneau solaire

Surtension *** *** ***

Inversion polarité

Reflux *** *** ***

Indication fin de charge *** ***

Ordre de puissance

2W 3 W 50W

Prix approximatif 25€ 20€ 12€Commentaire Augmentation de la

puissance : onéreuse.Tableau 1: Synthèse des trois montages

On voit ici que le montage présentant le plus d'atout est le chargeur de batterie par panneau solaire. Il est en effet celui qui est le moins onéreux, offre les protections requisent par le cahier des charges et est de plus adapté au puissance avec lesquels nous souhaitons travailler

3.2 Montage retenuNous avons choisi d'effectuer le circuit à l'aide de la diode Schottky et de

l'amplificateur. Celui ci nous permet à la fois de réguler la tension de charge et d'éviter le reflux du courant.

Lorsque la tension de l'accumulateur est supérieur à celle du panneau solaire, il y a un phénomène de reflux qui décharge la batterie. Pour éviter cela on a tout simplement mis une diode en place afin de bloquer la circulation du courant.

Pour limiter la tension de charge, on utilise un amplificateur de façon à obtenir un comparateur associé à un transistor. On obtient une tension de référence grâce à T1 et P1. Un potentiomètre permet de régler avec précision la tension qui doit être égale la moitié de la tension finale.

On réduit de moitié la tension de l'accumulateur grâce à R1 et R2 (R1=R2) mais aussi de 0,6V par D2, pour la comparer à la tension de référence. La sortie de IC1 reste au niveau bas tant que la tension de l'accumulateur est égale à la tension de référence, afin que T2 soit passant et que la charge soit possible.

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Lorsque la tension de l'accumulateur est supérieur à la tension de référence, la sortie de IC1 passe au niveau qui provoque la commutation de T2. Le courant ne peut donc plus circuler à travers T2, le panneau est donc court-circuité.

La LED 1 permet de caractériser le fonctionnement lorsqu'elle est éteinte l'accumulateur se charge, allumer le panneau est en court-circuit et lorsqu'elle clignote la fin de charge est proche.

En fonctionnement normal. Le transistor T2 conduit on a la circulation du courant entre le panneau solaire et l'accumulateur. Le courant circule par la diode D3, le transistor T2 et la diode D4.

En fonctionnement bloqué, on a un niveau haut à la sortie de l'AOP. Le courant ne peut donc pas circuler.

3.3 Etude des différents composantsLe choix du montage et son étude nous permettent maintenant de

dimenssionner les differents composants qui le compose.

3.3.1 Le panneau solaire (cf. annexe p.1)

Au vu de l'endroit où est situé le panneau, il ne doit pas être trop volumineux. Cela est un critère important puisque la taille du panneau influe directement sur la puissance qu'il fourni ; il ne faut pas que la durée de charge de la batterie soit excessive.

Le panneau fournira directement la tension et le courant à la batterie. On doit donc choisir un panneau solaire qui fournira du courant sous une tension de 12V. Le courant variera selon l'éclairement.

Plusieurs paramètres permettent de caractériser un panneau.

– La tension à vide,

– le courant maximal,

– la puissance typique.

Conclusion : nous avons opté pour le panneau PWX500-12V. Il fourni 4A maximale sous une tension de 12V (avec l'ensoleillement optimale).

3.3.2 La batterie (cf. annexe p.25)

Le choix de la batterie est avant tout basé sur l'autonomie que l'on souhaite obtenir. Il à été défini dans le cahier des charges une autonomie de deux heures minimum avec un ordinateur portable de relié. L'ordinateur portable représente une consommation de 90W sous une tension de 12V. Pour nos deux heures d'autonomie, il faut donc que la batterie stocke 180W. La capacité d'une batterie s'exprime en « Ampère par heure ».

Calcul de la capacité :

P = U x I14

I = P / U

I = 180/ 12

I = 15 A.h On choisira donc une batterie dont la capacité minimum sera de 15 Ah sous

12V.

Un autre critère de choix entre dans la sélection de la batterie : la technologie. Plusieurs types de batterie existent, les batteries au plomb, NiCD...

Plusieurs points nous ont poussés à choisir celle au plomb. Tout d'abord pour des raisons de simplicité, la technologie de batterie au plomb est éprouvée et sa mise en oeuvre est « directe ». Ensuite parce que les capacités proposées correspondent à nos besoins. Il est à noté que la duré de vie d'une batterie est très sensible au courant de charge de la batterie. Celui ci doit respecté un rapport de 1/10 par rapport à la capacité de la batterie (soit 1,8A dans notre cas théorique). Cependant cette valeur peut être revue à la hausse selon les constructeurs.

Conclusion : La batterie que nous avons commandé est au plomb. Elle à une capacité de 18A.h et peut être chargée sous un courant de 4,5A.

3.3.3 Le transistor de puissance (cf. annexe p.16)

Dans notre montage ce transistor permet de court-circuiter le panneau solaire. Ce transistor est donc dit de puissance car une partie de la puissance fournie par le panneau solaire peut être dissipée par ce transistor.

Il faut donc un transistor robuste qui sera, si cela est nécessaire, associé à un dissipateur thermique. Les caractéristiques suivantes doivent être remplies:

– courant de drain (ID) supérieur à 4 A (courant maximal débité par le panneau solaire)

– sa tension de grille doit être supérieur à 12V,

Conclusion : notre choix c'est tourné vers le transistor BUZ100. Son courant de drain pouvant aller jusqu'à 60A et sa tension de grille jusqu'à 20V. Nous n'avons pour le moment pas eu le temps de comprendre pourquoi il était plus avantageux de choisir un transistor de type MOSFET.

3.3.4 La diode Schottky (cf. annexe p.9 )

Nous avons choisi d'utiliser une diode de type Schottky dans notre montage. Ce choix s'explique par la différence fondamentale entre la diode à jonction PN et une diode Schottky. Le principe de cette dernière est d'utiliser des porteurs majoritaires et non minoritaire comme la diode Schottky. C'est une différence qui permet de réduire fortement le temps de commutation de la diode Schottky ; son temps de commutation est de l'ordre de la nanoseconde contre la milliseconde pour la diode à jonction PN. Nous utilisons cette diode pour la protection des éléments du montage ; il est donc important que le temps de réaction (ou commutation) de celle ci soit rapide.

Cependant, le temps de commutation de la diode n'est pas le seul critère important dans le choix de la diode. Les critères suivant ont aussi toute leur importance.

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– Courant efficace maximale admissible en direct (IF): il devra être supérieur à environ 5A - courant fourni par le panneau solaire avec une marge - dans notre montage.

– Tension directe maximale (VF), c'est la chute de tension au borne de la diode.

– Tension inverse admissible (VR), dans notre montage la tension maximale sera de 18V, c'est la tension en court circuit du panneau solaire.

Conclusion : nous avons opté pour la diode PBYR745. Son courant maximale en direct étant de 7,5A, sa tension directe de 0,57V et sa tension inverse de 40V.

3.3.5 Les dissipateurs (cf. annexe p.14)

Comme défini dans le cahier des charges, le système doit pouvoir fonctionner jusqu'à une température ambiante de 60°C. Cette température nous contraint à utiliser des dissipateurs de chaleur pour certains composants. Trois éléments sont concernés, les deux diodes Schottky et le transistor de puissance BUZ100.

Avant d'effectuer le calcul du dissipateur il nous faut définir certaines données. Le schéma ci dessous modélise le parcours effectué par la chaleur entre la jonction du composant et l'air ambiant.

Tj : Température maximale de jonction.

TA : Température ambiante.

R thJ-C : Résistance thermique entre la jonction et le boîtier.

R thR-A : Résistance thermique du radiateur.

P : Puissance aux bornes du composant.

On peut déduire du schéma la formule suivante : Tj – TA = (RthJ-C + RthR-A ).P.

Calcul du dissipateur :

P = U x I

P = 4 X 5 P = 20W

R thJ-C = (Tj – Tc)/ P – R thJ-C

= (150 – 60)/20 RthJ-C = 4,5°C/W

R thR-A = RthJ-A – (RthJ-C + R thC-V)

= 3°C/W

Illustration 3: Modélisation parcours de la chaleur

TJ

RthJ-C

TC

PR

thR-AT

AP

Jonction Air ambiantBoîtier + radiateur

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Conclusion : nous avons opté pour des dissipateurs « ML9 » . Ils permettent au montage de fonctionner jusqu'à 60°C grâce à une résistance thermique (RthR-A) de 3,1°C/W.

3.3.6 « L'AOP comparateur » (cf. annexe p.6)

Ce transistor est utilisé dans notre montage (IC1) pour comparer une tension de référence à la tension aux bornes du panneau solaire. Ce transistor est donc juste utilisé à titre de comparateur.

Le transistor ici ne nécessite aucune caractéristique particulière puisqu'aucune puissance ne le parcours. On utilisera donc un transistor simple et courant. Il devra pouvoir être alimenté ±12V et fonctionner jusqu'à 60°C.

Conclusion : on choisira le transistor TL071. Il peut être alimenter de façon symétrique et peut fonctionner normalement dans un environnement allant jusqu'à 70°C.

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Con c lu s io nCon c lu s io n

Notre étude préalable est terminé, nos composants sont commandés et nous avons commencé à réaliser des tests de composants (le panneau solaire en particulier). Notre projet se déroule donc, pour le moment, en respect avec le planning que nous nous sommes imposés.

Il nous reste donc au jour d'aujourd'hui un certain nombres de tâches à réaliser. Notamment la poursuite des test des composants, la mise en oeuvre et le test du circuit de charge, la réalisation du typon du circuit de charge, la soudure des composants et le test final du montage.

Ce projet nous a permis de prendre conscience de plusieurs points important dans la réalisation d'un projet. Tout d'abord de l'importance du cahier des charges sans lequel l'objectif premier d'un projet pourrait être fortement modifiée. Ensuite de la difficulté du respect du planning au vu des délais important générés par la commande de composants.

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RésuméRésumé

La réalisation du projet s'est déroulé en plusieurs étapes. Tout d'abord nous avons définis notre projet puis commencer à rédiger le cahier des charges. Nous avons ensuite chercher différents montages qui pouvait répondre à nos attentes. Par la suite nous avons sélectionné celui qui nous paraissait être le plus adapté à nos besoins.

Ensuite est venue la phase compréhension du montage que nous voulions mettre en oeuvre ; ceci grâce à la détermination et au dimensionnement de chaque composant présent dans le montage.

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Tab le d es i l l us t ra t io nsTab le d es i l l us t ra t io ns

Illustration 1: Montage alimentation ininterruptible 10Illustration 2: Alimentation 5 et 12V 11Illustration 3: Modélisation parcours de la chaleur 15

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Bib l iog rap h ieB ib l iog rap h ie

Ouvrage collectif

- Cellule solaires : Les bases de l'énergie photovoltaïque / Anne LABOURET, Pascal CUMUNEL, Jean-Paul BRAUN, Benjamin FARAGGI. Edition techniques et scientifique française. Paris : DUNOD, 2001. 118p.

Articles de revue

- GUEULLE P. Les cellules solaires. Electronique pratique, Février 2003, n°272, p.26 à 28.

- TAVERNIER C. Deux chargeurs de batterie à panneau solaire. Electronique pratique, Février 2003, n°272, p.36 à 40.

- TAVERNIER C. Alimentation ininterruptible à panneau solaire. Electronique pratique, Février 2003, n°272, p.48 à 50.

- MORIN P. Alimentation 5V et 12V pour panneau solaire. Electronique pratique, Février 2003, n°272, p.52 à 55.

Sites Internet

- JACQUET P. Chargeur de batterie par panneau solaire, [En ligne]. <http://f5jtz.club.fr/pjacquet/charg-solair.htm> (Page consultée le 26/09/05).

- FREDON, Eric. Le monde des accumulateurs et batteries rechargeables., [En ligne]. <http://www.ni-cd.net/> (Page consultée le 26/09/05).

Rapport

- EL HASSANI Y, VARACHAUD T. Alimentation pour ordinateur portable 19V – 3,5A à partir d'une batterie de 12V. Rapport de projet tutoré de deuxième année : TOURS : IUT. 2 avril 2004.

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Annex eAnnex e1. Le panneau solaire

p.1 à 3

2. Le transistor BF256

p.4 à 5

3. Le transistor TL071

p.6 à 8

4. La diode Schottky PBYR745

p.9 à 13

5. Le dissipateur thermique

p.14 à 15

6. Le transistor de puissance BUZ100

p.16 à 24

7. La batterie

p25 à 26

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