Énergie solaire photovoltaïque
Semaine 5 : Batteries et connexions au réseau public
Guidance

Lorsque des batteries font partie d'un système photovoltaïque, elles font normalement office d'élément bilan dans ce système. Cela signifie qu'il n'y a pas entre les batteries et le reste de l'installation d'interface permettant de contrôler les échanges de puissance avec la batterie. Pour régler ceux-ci, on doit agir sur les échanges de puissance avec les autres éléments de l'installation (champ photovoltaïque, charge, réseau...). La liaison des batteries au reste de l'installation se limite donc à un câble électrique et, souvent, un fusible (ou un disjoncteur).

Par contre, les batteries seront souvent munies d'un ou plusieurs capteurs, voire d'un système de prise de décision concernant leur gestion. N'ayant pas d'organe de réglage propre, ce système transmet ses consignes au système de régulation central. Bien entendu, les différentes fonctions distinguées ci-dessus seront, dans les systèmes simples, regroupées et réalisées avec un minimum de composants, mais de façon approximative.

Si des capteurs sont associés aux batteries, ils joueront aussi un rôle utile pour la surveillance de l'installation (détection des défauts).

La première raison d'être des systèmes associés aux batteries est d'éviter d'une part les surcharges, d'autre part les décharges trop profondes. Les surcharges entraînent en effet une réduction de la durée de vie ou, dans le cas des batteries non scellées, une augmentation du rythme des entretiens pour compenser l'eau perdue par électrolyse.

Une étape importante du processus de gestion est donc d'estimer correctement l'état de charge de la batterie. Cette estimation est plus facile avec les batteries au plomb parce que la concentration de l'électrolyte varie progressivement pendant toute la décharge, et cette variation de concentration se traduit par une réduction progressive de la tension. Au contraire, la tension d'une batterie au cadmium-nickel reste plus constante pendant la durée de la décharge.

Nous n'examinons ci-dessus que les systèmes utilisables avec les batteries au plomb.

La grandeur la plus simple à mesurer électroniquement sur une batterie est certainement sa tension.

Lorsque la tension de la batterie a atteint le niveau de surcharge préétabli, le contrôleur donne l'ordre au "système central" de réduire l'apport d'énergie. Pour une batterie de 12 V, ce niveau varie de 13.8 V pour une batterie fermée sans entretien à 14.4 V pour une batterie ouverte. En fait, la réduction de puissance ne se fait pas brutalement, mais progressivement sur une petite plage de tension.

Inversement, le contrôleur demandera la suppression de la consommation sur les batteries si la tension descend à un niveau situé aux alentours de 11 à 11.4 V. Il est en général souhaitable que cette action soit annoncée à l'avance (détection d'un seul de tension un peu plus élevé et transmission de l'information au régulateur central ou à une alarme).

L'algorithme peut être amélioré en utilisant une horloge. Après un certain temps de maintien à la tension maximale de charge, le courant de charge sera annulé aussi longtemps que la tension ne sera pas redescendue en dessous d'un seuil de tension (12.5 V à 12 V).

Tous les niveaux cités ci-dessus seront utilement compensés en température. Le capteur de température qui détermine cette correction peut être sensible à la température ambiante dans le local des batteries, mais il vaut mieux qu'il soit fixé à une borne des batteries pour mieux rendre compte de leur température interne.

Dans le cas de batteries scellées où les gaz produits en cas de surcharge se recombinent dans un catalyseur, la fin de charge peut être détectée grâce à la production de chaleur correspondante. En fait, c'est le gradient de température qui est important : il faut donc idéalement deux capteurs, l'un qui mesure la température de la batterie et l'autre la température ambiante. A noter que les systèmes à thermocouple donnent directement une indication sur la différence de température (car ils sont utilisés ici uniquement sur de petits écarts de température).

La mesure du courant nécessite soit l'utilisation d'un capteur à effet hall (cher et sujet à des problèmes de zéro), soit l'introduction d'une résistance en série avec les batteries (shunt de mesure). Dans ce dernier cas, la résistance de mesure occasionne une légère perte d'énergie par effet Joule.

Dans tous les cas, l'utilisation de faibles tensions au sein de l'électronique de traitement du signal fait qu'un décalage du niveau zéro est à craindre (offset).

La mesure du courant permet de réduire progressivement celui-ci lors d'une fin de charge ou de décharge.

Il est possible en intégrant le courant de surveiller certaines phases du cycle de façon plus précise.

Par exemple, pour augmenter la durée de vie de la batterie, il est possible d'améliorer le régulateur en intégrant une phase de gazéification dans l'algorithme de régulation. Pendant cette phase, la batterie continuera à être chargée jusqu'à atteindre un niveau de tension de 14.7 à 15 V. Ceci va provoquer une régénération de la substance active des plaques et une forte production de gaz, qui va permettre un bon mélange de l'électrolyte. Cette phase de gazéification peut avoir lieu à des moments précis, par exemple toutes les deux semaines, et être commandée par une horloge, ou après chaque cycle de décharge profonde de la batterie.

Pour une gestion correcte de la durée de cette phase, il est bon de disposer d'une estimation de la charge injectée durant cette phase.

Une autre amélioration possible consiste à surveiller la tension de chaque cellule de la batterie, ou de petits groupes de cellules. On peut s'assurer lorsque l'on arrête la charge que tous les éléments, même les plus faibles, ont bien été amenés à la pleine charge. Le risque est de surcharger les bons éléments lorsqu'un élément est en défaut. Pour éviter ce risque, il convient à nouveau de disposer d'une estimation de la charge injectée en vue de l'égalisation.

L'utilisation d'un intégrateur de courant rend plus critique la nécessité d'un offset faible pour le système de mesure du courant.

Pour une vérification du bon fonctionnement de l'ensemble de l'installation, il est utile de disposer des valeurs de la charge absorbée et fournie par les batteries pendant une longue période. L'intégration du courant peut alors utiliser des compteurs mécaniques en plus de l'intégrateur électronique afin d'obtenir une mémorisation non volatile de l'information. Chaque fois que l'intégrateur électronique a atteint sa capacité maximale, il est remis à zéro et une impulsion fait avancer le compteur mécanique d'une unité. Des précautions particulières doivent être prises pour se prémunir contre l'offset des capteurs de courant !

D'abord réservés aux installations de grande taille, les systèmes sophistiqués sont de plus en plus appliqués à des installations de puissance modeste (baisse des prix...).

Un point important pour un algorithme sophistiqué est l'estimation correcte de l'état de charge de la batterie sur base de mesures à long terme. L'algorithme utilise pour cela des mesures de tension et de température, mais aussi des mesures de courant. Il dispose d'un modèle de la batterie. Il peut par exemple corriger la mesure du courant pour tenir compte du courant de décharge spontanée, intégrer le courant corrigé pour obtenir les variations de charge, et même adapter les paramètres du modèle de batterie dont il se sert en tenant compte des mesures effectuées. Ceci suppose une mémorisation à long terme des données, donc des précautions pour ne pas perdre l'information en cas de coupure momentanée de l'alimentation de ce régulateur.

Dernière mise à jour le 17-02-2004