Le régulateur occupe une place essentielle et indispensable au sein d’une installation photovoltaïque autonome. Dans une installation photovoltaïque autonome, le régulateur doit assurer les 2 fonctions essentielles que sont la gestion de la charge et de la décharge du parc de batteries.

Gérer la charge des batteries Acide-Plomb

Intérêt de la gestion de la charge

Lors de la charge d'une batterie, plusieurs causes d'endommagement des batteries peuvent apparaître. Le régulateur photovoltaïque doit protéger les batteries contre ces risques de dégradation lors du processus de charge. Nous exposons ces risques dans le tableau suivant :

Risques à éviter lors de la charge d'une batterie	Processus de gestion par le régulateur
Dégazage par électrolyse de l'eau Conséquences directes préjudiciables : =>diminution importante du niveau d'électrolyte, donc maintenance accrue; =>diminution de l'efficacité et de la rapidité de la charge; =>si le dégagement gazeux devient trop important, des risques d'explosion ou d'étanchéité des batteries peuvent apparaître (notamment pour les batteries étanches).	Maintien de la tension à 2.2 V (par élément de batterie). Pour un parc de batteries de 24 V, constitués de 12 éléments, la tension est maintenue à 26.4 V.
Stratification de l'électrolyte Conséquences directes préjudiciables : =>dégradation de la capacité réelle des batteries; =>accroissement du phénomène de corrosion des électrodes.	Maintien, pendant un certain temps (environ 2 heures), de la tension à la valeur de 2.3 V (par éléments de batterie). Pour un parc de batteries de 24 V, constitués de 12 éléments, la tension est maintenue à 27.6 V. Cela permet de favoriser le dégazage par électrolyse de l'eau, et ainsi destratifier l'électrolyte en effectuant un brassage (par remontée des bulles de gaz).
Courant de charge trop élevé Conséquences directes préjudiciables : =>usure accélérée des électrodes; =>dégazage par électrolyse de l'eau.	Limitation du courant de charge. Typiquement, ce courant maximum de charge vaut 25% × C10 mais les régulateurs photovoltaïques sont programmés pour limiter ce courant entre 15% et 18% de C10. Par exemple, une batterie présentant une capacité nominale C10 = 1 000 Ah pourra être chargée sous un courant maximum de 250 A

Processus de charge

Aujourd'hui, les fabricants de régulateurs photovoltaïques utilise couramment le procédé dit "IoUoU" pour effectuer la charge d'un parc de batterie (mais dans le passé cela n'a pas été le cas). Il s'agit d'un fonctionnement en 3 étapes :

• I comme courant : pendant cette 1^ère étape, on maintient un courant constant. Au fil de la charge, la tension de la batterie augmente. Si on maintient ce courant constant, la tension devient trop élevée (ce qui favorise les réactions chimiques secondaires), et il convient donc de maintenir une tension constante adaptée (étape suivante).
• U comme tension : pendant cette 2^ème phase, on maintient une tension constante, de l'ordre de 2.2 V (pour un élément de batterie de 2 V).
• U comme tension : pendant cette 3^ème phase, on maintient une tension constante légèrement supérieure à la précédente. C'est la surcharge, permettant le brassage de l'électrolyte.

=> Etape 1 - Charge à courant constant
Le régulateur impose un courant constant à travers la batterie. Sa valeur est proche du courant maximale admissible par la batterie, et indiquée par le fabricant sur la fiche technique. Typiquement, ce courant maximum de charge vaut 25% × C¹⁰. Cependant, par mesure de sécurité, les régulateurs imposent un courant initial de charge plutôt compris entre 15% et 18 % de C¹⁰.

=> Au fur et à mesure que la batterie se recharge sous un courant constant, la tension aux bornes de la batterie augmente. Typiquement, la tension atteint la valeur limite admissible (2.2 V pour un élément de batteries) lorsque l’état de charge est environ de 65% - 70%.

D’après les caractéristiques courant-tension de la batterie en mode de charge, si le courant est constant, alors la tension aux bornes de la batterie va augmenter au fur et à mesure que l’état de charge augmente. Cette tension ne doit pas dépasser une certaine limite, sinon l’électrolyse de l’eau, qui est une réaction parallèle à la charge, va devenir trop importante et dégager trop de gaz.

Cette étape de charge à courant constant est très importante car, à l’issue de cette phase, l’état de charge de la batterie se situe entre 50% et 70%.

=> Etape 2 - Charge à tension constante
Une fois que la tension maximale (≈ 2.2 V) a été atteinte, il n’est plus possible de maintenir le courant constant sous peine de voir un dégagement gazeux excessif au sein de la batterie. Ainsi, le régulateur change de procédé en imposant, cette fois-ci, la tension constante. La valeur de cette tension est égale à la valeur maximale, soit environ 2.2 V par élément. La charge de la batterie continue donc. Au fur et à mesure qu’elle se charge, le courant diminue et tend vers 0 lorsque l’état de charge est de 100 %.

=> Etape 3 - Légère gazéification
En fin de charge de la batterie, c’est-à-dire lorsque son état de charge est proche de 100 %, le régulateur augmente légèrement la tension aux bornes de la batterie. Typiquement, on passe d’une tension de 2.2 V à une tension de 2.3 V voire 2.6V (par élément). Cela permet d’accélérer la réaction d’électrolyse de l’eau, produisant ainsi des bulles de gaz (dihydrogène et dioxygène) au sein de l’électrolyte. Ce processus volontaire permet de mélanger l’électrolyte évitant ainsi les phénomènes de stratification de l’acide sulfurique au fond du bac d’électrolyte.

Gérer la décharge des batteries des batteries Acide-Plomb

Lors de la charge d'une batterie, plusieurs causes d'endommagement des batteries peuvent apparaître. Le régulateur photovoltaïque doit protéger les batteries contre ces risques de dégradation lors du processus de charge. Nous exposons ces risques dans le tableau suivant :

Risques à éviter lors de la décharge d'une batteries	Processus de gestion par le régulateur photovoltaïque
Phénomène de sulfatation Conséquences directes préjudiciables : =>dégradation de la capacité réelle des batteries; =>formation d'une couche isolante de sulfate de plomb au niveau des électrodes (donc maintenance accrue);	Déconnexion du parc de batteries vis-à-vis des appareils électriques lorsque l'état de charge est trop bas. La reconnexion s'effectue lorsque les batteries sont suffisamment chargées. En général, la limite de décharge est limitée à 70% (soit un état de charge de 30%). Ce paramètre est cependant réglable directement sur le régulateur.

Le contrôle de l'état de charge s'effectue par la mesure de la tension du parc de batteries. Ainsi, si la tension devient inférieure à un niveau prédéfini, le régulateur photovoltaïque déconnecte le parc de batteries des appareils électriques.

Le tableau suivant indique les seuils de tension standards en fonction de l'état de charge des batteries :

Tension du parc de batteries					Etat de charge
2 V	6 V	12 V	24 V	48 V
2,16	6,48	12,96	25,92	51,84	100%
2,14	6,42	12,84	25,68	51,36	90 %
2,12	6,36	12,72	25,44	50,88	80 %
2,10	6,30	12,60	25,20	50,40	70 %
2,08	6,24	12,48	24,96	49,92	60 %
2,05	6,15	12,30	24,60	49,20	50 %
2,02	6,06	12,12	24,24	48,48	40 %
2,00	6,00	12,00	24,00	48,00	30 %
1,96	5,88	11,76	23,52	47,04	20 %
1,92	5,76	11,52	23,04	46,08	10 %
1,80	5,40	10,80	21,60	43,20	0%
Seuils de tension standards en fonction de l'état de charge des batteries (batteries acide-plomb)

Indiquer l'état de l'installation photovoltaïque

Mesures instantanées

Le régulateur doit être en mesure de pouvoir afficher les paramètres d'état de l'installation photovoltaïque :

• Le courant du champ photovoltaïque - Il varie en fonction des conditions climatiques (ensoleillement, température, etc.) et du courant appelé par les appareils électriques.
• Le courant du parc de batteries - Celui-ci pourra être tantôt positif tantôt négatif selon que les batteries sont en charge ou en décharge.
• Le courant des appareils électriques - C'est le courant appelé par les appareils électriques; il varie en fonction du profil de consommation des usagers.
• La tension du système - C'est la tension de l'ensemble constitué par le champ photovoltaïque, le parc de batteries et les appareils électriques. Comme ces 3 éléments sont montés en parallèle, leur tension est la même, aux chutes de tension près; on parlera alors de tension du système. En pratique, le régulateur mesure la tension au niveau du parc de batteries ce qui permet de gérer la charge et la décharge de manière plus fine.

Acquisition des données

Egalement, un système d’acquisition et de sauvegarde des données journalières peut permettre d’analyser le comportement de l’installation depuis sa mise en service :

• La production électrique photovoltaïque, en kWh.
• La consommation électrique journalière des équipements électriques, en kWh.
• Les tensions minimales et maximales journalières aux bornes de la batterie.

Cela permet de constater d’éventuelles anomalies de fonctionnement de l’installation.

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