Contrôleurs de charge solaire PWM : fonctionnement, dimensionnement et guide de sélection

Qu'est-ce qu'un contrôleur de charge solaire à modulation de largeur d'impulsion (PWM) ?

Qu'est-ce que la modulation de largeur d'impulsion ou un contrôleur de charge PWM ?

Un contrôleur PWM (Pulse Width Modulation) est une interface (électronique) de transition entre les panneaux solaires et les batteries :

Le contrôleur de charge solaire (souvent appelé régulateur) est identique à un chargeur de batterie standard : il contrôle le courant circulant du panneau solaire vers le parc de batteries pour éviter la surcharge. Comme un chargeur standard, il s'adapte à différents types de batteries.

La tension d'absorption peut sélectionner la tension de flottement, et souvent aussi définir le temps et le courant résiduel. Ils sont particulièrement adaptés aux batteries lithium-fer-phosphate car lorsque le contrôleur est en charge complète, il maintient une tension de flottement fixe d'environ 13,6 V (3,4 V par cellule) pour le reste de la journée.

Le profil de charge le plus populaire est la même séquence simple trouvée sur un adaptateur secteur de qualité : mode bulk (charge en vrac) → mode absorption → mode flottement. L'entrée en mode bulk se produit :

• Au lever du soleil
• Si la tension de la batterie tombe en dessous de la tension spécifiée pendant plus d'une période donnée, ex: 5 secondes (réentrée)

Cette réentrée en mode bulk fonctionne mieux pour batteries plomb-acide car la chute de tension est plus marquée que pour les batteries lithium, qui conservent une tension plus stable et élevée pendant la décharge.

• Article connexe : Contrôleur de charge solaire MPPT – Fonctionnement, dimensionnement et sélection

Dans le contrôleur de charge solaire :

• L'interrupteur est ON en mode bulk.
• L'interrupteur est ON/OFF selon besoin (modulation de largeur d'impulsion) pour maintenir la tension d'absorption de la batterie.
• Il est OFF à la fin de l'absorption quand la tension descend à la tension de flottement.
• L'interrupteur est ON/OFF selon besoin (PWM) pour maintenir la tension de flottement.

Notez que lorsque l'interrupteur est OFF, la tension du panneau est à la tension de circuit ouvert (Voc). Lorsque l'interrupteur est ON, la tension du panneau est à la tension de la batterie + les chutes de tension entre panneau et contrôleur.

Le meilleur panneau pour un contrôleur PWM :

Le panneau idéal pour un contrôleur PWM a une tension juste au-dessus de celle nécessaire pour charger la batterie, en tenant compte de la température, généralement un panneau avec V_mp (tension de puissance max) d'environ 18V pour charger une batterie 12V. On les appelle parfois « panneau 12V » bien que leur V_mp soit ~18V.

Ci-dessous, le diagramme de blocs d'un contrôleur de charge solaire PWM typique.

Charge en 3 étapes PWM

Charge Bulk (en vrac) : C'est l'étape où le dispositif PV fournit la majeure partie de la charge. Le dispositif charge la batterie avec un courant et une tension élevés quand la tension est basse. Quand la tension en fin de batterie dépasse cette valeur de maintien pendant la charge, la charge directe doit s'arrêter.

Charge Absorption : Habituellement, après la première étape, la batterie attend un moment pour laisser la tension baisser naturellement, puis atteint l'étape de charge équilibrée. Cette étape est aussi appelée charge à tension constante.

Charge Flottement : C'est la dernière étape de la charge en 3 étapes, aussi appelée charge de maintien (trickle). C'est un faible courant de charge à bas régime et constant. La plupart des batteries rechargeables perdent de l'énergie quand elles sont pleines à cause de l'autodécharge. Si le courant de charge reste au même niveau bas que l'autodécharge, la capacité de charge est maintenue.

Avantages du contrôleur solaire PWM :

• Technique mature et établie.
• Structure simple et rentable.
• Déploiement facile.
• Budget réduit pour petits projets.

Inconvénients du contrôleur de charge solaire PWM :

• Faible taux de conversion.
• La tension d'entrée doit correspondre à la tension du parc de batteries.
• Moins d'évolutivité pour le développement du système.
• Modes de charge limités.
• Moins de protections ;

Articles connexes : Introduction aux algorithmes de point de puissance maximum dans les systèmes PV

Fonction du contrôleur de charge solaire :

Le contrôleur de charge central régule essentiellement la tension de l'unité et ouvre le circuit, stoppant la charge quand la tension de la batterie atteint un certain seuil. Les anciens contrôleurs utilisaient un relais mécanique pour ouvrir/fermer le circuit, arrêter/démarrer l'alimentation depuis le stockage électrique.

Généralement, les batteries 12V sont utilisées pour le solaire. Les panneaux solaires peuvent délivrer bien plus de tension que nécessaire pour charger la batterie. La tension de charge est maintenue au plus haut niveau possible tout en minimisant le temps de charge complète. Cela permet aux systèmes solaires de fonctionner de façon optimale en continu. La dissipation de puissance dans les câbles est significativement réduite en faisant circuler une tension plus élevée dans les câbles des panneaux solaires vers le contrôleur.

Les contrôleurs de charge solaire peuvent aussi contrôler le flux de courant inverse. Ils détectent l'absence de production des panneaux et ouvrent le circuit, séparant les panneaux des batteries et stoppant le courant inverse.

Types de contrôleurs de charge solaire :

Trois types :

1) Contrôles simples 1 ou 2 phases : transistors commutés pour réguler la tension en une ou deux étapes.

2) PWM (modulation de largeur d'impulsion) : forme traditionnelle du contrôleur de charge, ex: Xantrex, Blue Sky, etc. C'est la norme actuelle de l'industrie.

3) Suivi du point de puissance maximum (MPPT) : Le MPPT identifie la tension et l'intensité optimales de l'affichage du panneau solaire et les adapte au parc de batteries.

Dimensionnement d'un contrôleur de charge solaire PWM

Les contrôleurs PWM ne peuvent pas limiter leur courant de sortie. Ils utilisent simplement le courant disponible. Si l'array solaire génère 40 A et que le contrôleur est calibré 30 A, il risque d'être endommagé. Il est essentiel que votre contrôleur soit compatible, conforme et correctement dimensionné pour vos panneaux.

Lors du choix, regardez l'ampérage indiqué, ex: contrôleur PWM 30A. Cela reflète le courant maximal supporté (30A). En général, l'ampérage et la tension nominale sont les deux critères principaux.

Ensuite, la tension nominale du système (batterie). Elle indique quelles tensions de parc batterie sont compatibles (12V ou 24V typiquement). Le contrôleur ne fonctionnera pas sur du 48V.

Le courant nominal de la batterie est important. Supposons un contrôleur 30A. Un facteur de sécurité d'au moins 1,25 est recommandé : moyenez le courant des panneaux par 1,25 et comparez à 30A. Ex: cinq panneaux 100W en parallèle donnent 5,29 × 5 = 26,45 A. 26,45 × 1,25 = 33 A, trop pour le contrôleur. Le panneau peut rencontrer plus de courant que sa valeur nominale si l'ensoleillement dépasse 1000 W/m².

Troisièmement, la tension d'entrée solaire maximale. Cela indique combien de volts le contrôleur peut accepter. Ce contrôleur ne tolère pas plus de 50V. Ex: 2 × 100W en série avec Voc 22,5V chacun = 45V total, acceptable en série.

Quatrièmement, les bornes. Chaque contrôleur a une section maximale de câble acceptée. Important pour l'achat du câblage.

Enfin, le type de batterie. Indique quelles batteries sont compatibles. Vérifiez car vous ne voulez pas de batteries que le contrôleur ne peut pas charger.

Voyons un exemple basique de dimensionnement PWM.

Exemple :

Quelle taille de contrôleur PWM pour un panneau 100W, 12V avec I_SC (courant de court-circuit) de 8A ?

Solution :

Ajouter un facteur de sécurité 25% sur le courant : 1,25 × I_SC.

8A × 1,25 = 10A.

Donc un contrôleur 10A, 12V convient pour ce système basique.

Autre méthode : charge DC totale 12V, 95W.

Courant nominal de charge = Puissance DC totale / Tension nominale = 95W / 12V = 7,91 A

Facteur sécurité × Courant nominal = 1,25 × 7,91 = 9,9A

Formule de puissance de base : P = V × I → I = (P/V) × 1,25 = (95/12) × 1,25 = 9,9A

Appliquez la même formule pour panneaux/batteries en série/parallèle selon tensions et courants. Voir plus d'exemples résolus pour dimensionnement PWM et MPPT dans l'article précédent.

Différence entre contrôleurs PWM et MPPT

La différence fondamentale :

• Avec PWM, le courant est prélevé du panneau juste au-dessus du niveau de la batterie.
• Avec MPPT, le courant est prélevé au point de « tension de puissance maximale » (voir MPPT comme un « convertisseur DC/DC intelligent »).

On voit des slogans comme « 20% ou plus d'énergie en plus avec MPPT ». Ce gain varie considérablement, et la référence est : panneau en plein soleil, contrôleur en mode bulk. En ignorant les chutes de tension, exemple simple :

• Courant de puissance max du panneau (Imp) = 5,0 A
• Tension de puissance max du panneau (Vmp) = 18 V

Tension de charge = 13V (batterie entre 10,8V déchargée et 14,4V en absorption). À 13V, le courant du panneau serait légèrement supérieur à Imp, disons 5,2A.

Avec PWM : sortie panneau = 5,2A × 13V = 67,6 W. Cette puissance est prélevée tant que la tension du panneau reste au-dessus de la tension batterie.

Avec MPPT : sortie panneau = 5,0A × 18V = 90 W, soit 25% de plus. Mais c'est optimiste car la tension baisse avec la température. Supposons panneau à 30°C au-dessus des conditions STC (25°C). La tension chute de 4% par 10°C, soit 12% total. Sortie MPPT = 5A × 15,84V = 79,2W, soit 17,2% de plus que PWM.

Donc il y a un gain d'énergie avec MPPT, mais le pourcentage varie beaucoup dans la journée.

Avantages du chargeur PWM

Charger une batterie solaire est un défi unique. Autrefois, des régulateurs simples ON/OFF limitaient le dégazage quand le panneau fournissait trop d'électricité. Mais avec l'évolution des systèmes solaires, on a vu combien ces outils simples perturbaient la charge.

L'expérience des régulateurs ON/OFF : erreurs précoces de batteries, déconnexions de charge croissantes, frustration des utilisateurs. Le PWM est la première percée majeure dans la charge de batteries solaires. Les chargeurs PWM utilisent un matériel similaire aux chargeurs de batteries modernes de haute qualité.

Quand la tension de la batterie dépasse la limite de contrôle, l'algorithme PWM diminue lentement le courant de charge pour éviter l'échauffement et le dégazage, tout en restituant le maximum d'énergie à la batterie en un temps minimal. Résultat : meilleure efficacité de charge, recharge rapide, batterie durable à puissance maximale.

Cette nouvelle méthode offre aussi des avantages fascinants et inhabituels de la pulsation PWM :

1. Capacité à restaurer la capacité de batterie réduite et à désulfater la batterie.
2. Augmente considérablement l'acceptation de la charge de la batterie.
3. Maintient une capacité globale élevée (90-95%) vs 55-60% avec régulateurs ON/OFF.
4. Égalise les éléments déviants de la batterie.
5. Limite l'échauffement et le dégazage.
6. Compense automatiquement le vieillissement de la batterie.
7. Auto-régulation des hausses de tension et effets de température dans les systèmes solaires.

Choisir le meilleur contrôleur solaire

Le PWM est une bonne option économique :

• Pour petits systèmes
• Où la fiabilité de la charge n'est pas critique
• Pour panneaux avec tension nominale (Vmp) jusqu'à 18V pour batterie 12V (36V pour 24V, etc.)

Le contrôleur MPPT est idéal pour :

• Grands systèmes où 20%* ou plus de gain d'énergie vaut l'investissement
• Où la tension de l'array solaire est bien supérieure à la tension batterie, ex: panneaux résidentiels pour charger batteries 12V

Applications

Aujourd'hui, la production d'électricité par le soleil est plus courante que d'autres sources alternatives. Les panneaux photovoltaïques sont sans émissions et peu d'entretien. Exemples d'utilisation :

• Lampadaires solaires : cellules PV transforment lumière en courant DC. Le système utilise un contrôleur de charge pour stocker le DC dans batteries et l'utiliser jour/nuit.
• Systèmes solaires domestiques : module PV pour usages résidentiels.
• Système hybride : combine plusieurs sources d'énergie pour alimentation de secours continue.

Note : Cet article est publié par www.electricaltechnology.org