Les technologies des régulateurs photovoltaïques pour batteries Acide-Plomb

C'est probablement dans les années qui suivirent le 1er choc pétrolier (1971) que les ingénieurs commencèrent à s'intéresser à la régulation photovoltaïque dans le cadre de l'autoconsommation. C'est d'ailleurs en 1973, à l'Université de Delaware (Etats-Unis), que fut construite la première maison alimentée par des cellules photovoltaïques.

Au début, les premiers régulateurs photovoltaïques sont assez simple en terme de conception : ce sont les régulateurs "tout ou rien". Ceux-ci tendent à disparaître depuis la fin des années 1990 mais sont encore très répandus sur les sites isolés existants.

Depuis la fin des années 1990, on assiste au développement de régulateurs photovoltaïques plus perfectionnés intégrant la technique MLI (Modulation de Largeur d'Impulsion - En anglais PWM : Pulse Width Modulation) et PPM (Point de Puissance Maximul - En anglais MPT : Maximal Power Tracking).

Régulation "tout ou rien"

Rappelons que, lors de la charge, il n'est pas possible d'imposer n'importe quelle tension aux bornes des batteries. Or, lorsqu'on branche un module photovoltaïque aux bornes d'une batterie, le point de fonctionnement est déterminé par l'intersection entre les 2 caractéristiques courant-tension :
Points de fonctionnement électrique d'une batterie et d'un champ photovoltaïque, avec un régulateur tout ou rien
Ci-dessus, en rouge sont représentées les caractéristiques courant-tension d'une batterie de 12 V pour différents état de charge. En bleu est représentée la caractéristique courant-tension d'un module photovoltaïque à 36 cellules.
Lorsque que la batterie est déchargée, le point de fonctionnement est indiqué par le numéro ⓵, à savoir une tension de 12 V et un courant de l'ordre de 4.9 A. Il s'agit de l'intersection entre la caractéristique de la batterie déchargée et celle du module photovoltaïque.

Puis au fur et à mesure que la batterie se charge, le point de fonctionnement évolue jusqu'au point ⓶ défini par une tension de 14.4 V et un courant de l'ordre de 4.8 A.

A ce stade, si on ne fait rien, la tension va continuer à augmenter ce qui est dommageable pour la batterie.
Par conséquent, afin d'éviter d'endommager la batterie par dépassement de sa tension maximale admissible, il convient de déconnecter le module photovoltaïque. C'est ainsi que fonctionne le régulateur "tout ou rien" lors de la charge des batteries : soit il connecte le champ photovoltaïque au parc de batteries, soit il le coupe lorsque la tension devient trop importante.

Les avantages des régulateurs "tout ou rien" sont la simplicité, la robustesse et le faible coût.

Par contre, le principal inconvénient (et non des moindres) est que l'état de charge des batteries ne dépasse jamais 75%. Cela s'observe facilement en constatant que le point ⓶ sur le schéma correspond à un état de charge de l'ordre de 75%, et qu'il n'est pas possible de charger davantage sous peine de dépasser la tension maximale admissible.
Avantages Inconvénients
=> Simplicité, robustesse
=> Réparable
=> Faible coût
=> L'état de charge des batteries ne dépasse jamais 75%.
=> Le régulateur ne permet pas d'exploiter la totalité de la puissance photovoltaïque disponible.
=> La tension du champ photovoltaïque doit être compatible avec celle du parc de batteries.
Avantages / Inconvénients des régulateurs photovoltaïques "tout-ou-rien"


Régulation MLI

Le régulateur MLI a été conçu, vers la fin des années 1990, afin de lever l'inconvénient majeur des régulateurs "tout ou rien" vis-à-vis de la fin de charge. Sa valeur ajoutée est donc une fin de charge optimale avec un état de charge de 100% (au lieu de 75% pour le régulateur "tout ou rien").

Le régulateur MLI et en fait un hacheur qui abaisse la tension du champ photovoltaïque afin que celle-ci soit supportable par le parc de batteries notamment en fin de charge (à partir d'un état de charge de l'ordre de 70%). En début de charge, le régulateur MLI fonctionne comme le régulateur "tout-ou-rien".
Régulation MLI
1) Le champ photovoltaïque fournit une tension continue (qui varie en fonction des conditions climatiques). La plupart du temps, cette tension est supérieure à la tension maximale admissible par le parc de batteries.
Sur la figure ci-dessus, la tension fournie par le champ photovoltaïque ne permet de charger le parc de batteries (exemple d'un parc de 12 V).
2) Le régulateur MLI va dans un premier temps transformer la tension continue du champ photovoltaïque en un signal rectangulaire dont la valeur moyenne est compatible avec le parc de batteries.
Le profil de cette tension rectangulaire est ajusté en fonction de l'état de charge du parc de batteries et de la tension fournie par le champ photovoltaïque (celle-ci dépendant des conditions climatiques extérieures).
3) La tension rectangulaire précédente, bien que disposant d'une valeur moyenne entre 12 V et 14.4 V, n'est pas utile à la charge car elle vaut successivement 22 V et 0 V.
La technique (assez classique dans le domaine de l'électronique de puissance) consiste à lisser le signal rectangulaire autour de sa valeur moyenne, grâce à un ensemble de bobines et de condensateurs correctement calculés.
On obtient finalement une tension continue plus ou moins pure, permettant de réaliser la fin de charge du parc de batteries (ce que ne permettait pas le régulateur "tout ou rien").


Le processus de charge est illustré sur le schéma ci-après :
Points de fonctionnement électrique d'une batterie et d'un champ photovoltaïque, avec un régulateur MLI
Nous reprenons le même exemple que pour le régulateur "tout-ou-rien". En rouge sont représentées les caractéristiques courant-tension d'une batterie de 12 V pour différents état de charge. En bleu est représentée la caractéristique courant-tension d'un module photovoltaïque à 36 cellules.
Lorsque que la batterie est déchargée, le point de fonctionnement est indiqué par le numéro 1, à savoir une tension de 12 V et un courant de l'ordre de 4.9 A. Il s'agit de l'intersection entre la caractéristique de la batterie déchargée et celle du module photovoltaïque.

Puis au fur et à mesure que la batterie se charge, le point de fonctionnement évolue jusqu'au point 2 défini par une tension de 14.4 V et un courant de l'ordre de 4.8 A.

A ce stade, le régulateur tout-ou-rien déconnecte le champ photovoltaïque car la tension devient trop importante. Le régulateur MLI va, quant à lui, abaisser la tension du champ photovoltaïque afin de la maintenir à une valeur acceptable (ici 14.4 V maximum pour une batterie de 12 V).


Avantages Inconvénients
=> L'état de charge maximale (100 %) est atteignable. => Le coût du régulateur est plus élevé.
=> Le régulateur ne permet pas d'exploiter la totalité de la puissance photovoltaïque disponible.
=> La tension du champ photovoltaïque doit être compatible avec celle du parc de batteries.
Avantages / Inconvénients des régulateurs photovoltaïques MLI


Régulation MPP (ou PPM ou Français)

Le régulateur MLI, présentée dans le paragraphe précédent, permet une charge complète du parc de batteries. Néanmoins, il n'est pas en mesure d'exploiter toute la puissance électrique du champ photovoltaïque.
Points de fonctionnement du système module-batterie
Points de fonctionnement du système module-batterie
En effet, la puissance fournie par le module photovoltaïque résulte de l'intersection entre sa caractéristique U-I et celle de la batterie. Comme le montre la figure ci-contre, la puissance transmise à la batterie n'est pas toujours effectuée à la puissance maximale (PMPP) que peut fournir le module.
La figure ci-contre montre les différents points de fonctionnement lorsqu'une batterie est chargée par un module photovoltaïque. On constatera sur la figure que la puissance maximum que peut fournir le module vaut PMPP = UMPP × IMPP = 20.5 × 4.5 = 92.25 W.
Evolution de la puissance fournie par le module pendant la phase de charge de la batterie
Evolution de la puissance fournie par le module pendant la phase de charge de la batterie
Ce graphe permet de bien visualiser le gain en puissance (et donc en énergie) transmise par un champ photovoltaïque en présence de la fonction MPPT
Ainsi, à mesure que la batterie se charge, le point de fonctionnement évolue en suivant le chemin ①→④.
  • ① : Etat de charge ≤ 60% - U1=12 V - I1=4.9 A - P1=12×4.9=58.8 W (soit 64% de PMPP).
  • ② : Etat de charge = 70% - U2=14 V - I2=4.8 A - P2=14×4.8=67 W (soit 73% de PMPP).
  • ③ : Etat de charge = 80% - U3=21.5 V - I3=3.6 A - P3=21.5×3.6=77.4 W (soit 84% de PMPP).
  • ④ : Etat de charge = 98% - U4=22 V - I4=0.5 A - P4=22×0.5=11 W (soit 12% de PMPP).
Le chemin ①→④ est le chemin suivi par un régulateur MLI classique, et ne permet donc pas d'exploiter 100% de la puissance du champ photovoltaïque. Ce n'est pas le cas lorsque le régulateur dispose de la fonction de recherche du Point de Puissance Maximale (PPM).
Avantages Inconvénients
=> Amélioration de l'efficacité du champ photovoltaïque entre 10% et 35%, par conséquent, il est possible de réduire la surface du champ photovoltaïque.
=> Absence de contrainte sur la tension du champ photovoltaïque. Il est donc possible d'effectuer des branchements des modules photovoltaïques avec une plus haute tension de sortie de celle du parc de batteries.
=> Le coût du régulateur est plus élevé.
Avantages / Inconvénients des régulateurs photovoltaïques MPP (ou PPM en Français)



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