Transcript E3994

Chargeurs de batteries
par
Christian PEUTOT
Professeur de Génie électrique au Lycée Léonard-de-Vinci de Melun
Consultant auprès de la société Enertronic
1.
1.1
1.2
1.3
Principes généraux ..................................................................................
Différents types d’accumulateurs utilisés actuellement ou à l’état
de recherche .................................................................................................
Différents types de profil de charge ...........................................................
Chargeurs multiples ....................................................................................
2.
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
E 3 994 - 2
—
—
—
2
3
5
Chargeurs pour applications à faible coût .......................................
Chargeur direct ............................................................................................
Chargeur à tension constante.....................................................................
Chargeur à gradateur ..................................................................................
Chargeur intégré..........................................................................................
Applications .................................................................................................
—
—
—
—
—
—
6
6
7
7
7
8
3.
3.1
3.2
3.3
3.4
Chargeurs évolués à absorption sinusoïdale depuis le réseau ...
Synoptique général .....................................................................................
Contraintes des chargeurs embarqués......................................................
Structures de conversion d’énergie ...........................................................
Étude de la commande ...............................................................................
—
—
—
—
—
8
8
8
9
11
4.
4.1
4.2
Cas pratiques ............................................................................................
Chargeur monosortie ..................................................................................
Chargeur multisorties..................................................................................
—
—
—
15
15
16
5.
Conclusion .................................................................................................
—
18
Pour en savoir plus ...........................................................................................
Doc. E 3 994
l existe deux catégories de chargeurs de batteries.
Pour la première catégorie (chargeurs externes), deux types se développent,
les chargeurs par connexion directe (charge rapide et normale) et ceux sans
contact. Leurs contraintes, comme l’encombrement et la masse, sont moins
draconiennes que pour les chargeurs embarqués.
Dans les chargeurs internes ou embarqués de la deuxième catégorie, l’incorporation dans des véhicules électriques leur confèrent la possibilité d’être
rechargeable en n’importe quel lieu (garage, parking, bornes publiques...)
dûment doté d’une prise de réseau (230 V – 16 A). Pour l’industrie automobile,
ces chargeurs doivent répondre à des critères technico-économiques stricts
comme :
— le moindre coût ;
— la masse la plus faible possible ;
— l’encombrement le plus réduit ;
— la meilleure tenue aux vibrations et aux chocs ;
— la meilleure durée de vie donnée aux batteries par une charge appropriée ;
— une puissance maximale correspondant à celle capable d’être fournie par
une prise de réseau ; cette puissance doit répondre à la norme en vigueur, au
niveau de compatibilité électromagnétique, et permettre la détection des batteries hors services.
I
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E 3 994 − 1
CHARGEURS DE BATTERIES ______________________________________________________________________________________________________________
Précisons que, dans cet article, nous ne traiterons que les chargeurs connectés
directement au réseau, du chargeur basique pour batteries de type LR6 au chargeur de traction pour wagon SNCF, en passant par les chargeurs embarqués sur
véhicule routier. Les versions connectées sur une source continue (panneau
photovoltaïque, éolienne...) s’en déduiront directement par modification du
schéma du convertisseur de puissance.
On pourra se reporter en bibliographie à la référence [6] pour tout ce qui se
rapporte à la compatibilité électromagnétique.
1. Principes généraux
Nous allons dans ce premier paragraphe, étudier les différents
types d’accumulateurs, sachant que leurs courbes de charge conditionnement naturellement leur structure [7], [8].
— le plomb-acide ;
— les couples à cathodes de nickel : fer : zinc - hydrogène ;
cadmium ; hydrure métallique ;
— les couples chauds : sodium-soufre et lithium-aluminiumdisulfure de fer ;
— le zinc-air : zinc en solution circulant sur l’électrode à air ;
— le lithium-ion et le lithium polymère.
On rappelle :
1.1 Différents types d’accumulateurs
utilisés actuellement ou à l’état
de recherche
Ni-Cd nickel-cadmium
Ni-MH nickel-métal-hydrure
Li-ion lithium ion
1.1.1 Définition et terminologie
Nous allons différentier deux termes qui font souvent l’objet
d’amalgame.
Un accumulateur est un appareil accumulant de l’énergie électrique sous forme électrochimique pour la restituer ensuite suivant les
besoins.
Chaque accumulateur est constitué d’éléments associés pour former des blocs (par exemple, un accumulateur au plomb est composé de 3 ou 6 éléments de 2 V, soit un bloc de 6 ou 12 V).
Le tableau 1 présente les caractéristiques de quelques types
commercialisés, début 2000. Il montre que le couple qui présente
les caractéristiques les plus avantageuses est le Ni-Cd suivi par le
Ni-MH. Les couples Li-ion et Li-polymère sont intéressants, sachant
que leurs propriétés s’améliorent constamment, en raison de leur
utilisation au sein des ordinateurs portables. Il ne faut pas oublier le
traditionnel plomb-acide, encore indispensable lorsqu’une grande
quantité d’énergie est nécessaire (traction...). Nous allons l’étudier
maintenant, ainsi que le Ni-Cd.
Une batterie est un ensemble d’accumulateurs placés en série,
d’où le terme de batterie d’accumulateurs.
1.1.3 Caractéristiques des batteries
au plomb-acide
1.1.2 Variété d’accumulateurs
■ Ces éléments présentent les avantages suivants.
Il est difficile d’étudier un chargeur de batterie sans définir, au
préalable, le type de batterie qui y est connecté. La liste suivante
présente les modèles existants, commercialisés ou non :
● Nombre de cycles de charge/décharge variant de 600 à 900 sur
un banc d’essai : cette valeur importante est réduite de moitié en
condition d’utilisation réelle, ce qui donne par exemple, sur un véhicule, environ 300 cycles.
(0)
Tableau 1 – Comparaison des caractéristiques des couples d’accumulateurs
Caractéristiques
Unités
Couples utilisés ou en cours de développement
Pb-acide
Ni-Cd
Ni-MH
Na-NiCl2
Li-ion
Li-polymère
Énergie
spécifique
Wh/kg
30
50
70
80
120
120
Puissance spécifique
W/kg
110
155
155
105
140
130
Durée de vie
Cycles
1 000
Charge rapide
300
1 500
1 200
non
50 % – 0,5 h
50 % – 0,5 h
300
300
étude
étude
Recyclabilité
oui
oui
oui
étude
étude
Effet mémoire
non
oui
oui
oui
non
non
Rendement
0,8
0,7
0,75
0,6
0,9
0,9
Coût (relatif)
1
3
3,3
3,5
4
4
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Insensibilité aux traitements mécaniques et électriques.
Éléments recyclables à 99,96 %.
● Coût à l’achat le plus faible, fiables et ne posant aucun problème de sécurité.
● Facilité à charger et à gérer énergétiquement, surtout en mode
tampon (charge permanente).
● Opérations de maintenance simplifiées.
●
●
■ Ces batteries ont les inconvénients suivants.
● Énergie spécifique, ou énergie massique, faible, de 30 Wh/kg
pour les éléments étanches à 40 Wh/kg pour les éléments ouverts.
● Mauvaise tenue aux décharges profondes ; les éléments les
plus faibles subissent une inversion électrochimique en fin de
charge, la puissance spécifique disponible baissant avec l’état de
charge.
● Décharge profonde non acceptée.
● Réduction des performances pour des températures inférieures
à 0 °C.
■ Cet ensemble de qualités fait que ces éléments riment avec simplicité et fiabilité, même si la masse est un handicap sérieux. Elles
restent très intéressantes pour les systèmes fixes.
1.1.4 Caractéristiques des batteries
au nickel-cadmium
■ Ces éléments ont les qualités suivantes.
● Puissance spécifique de 155 W/kg à 80 % de profondeur de
décharge.
● Plus légers et plus compacts que les éléments au plomb, ils
offrent une énergie spécifique de 55 Wh/kg et une énergie volumique de 100 Wh/dm3.
● Durée de vie élevée (1 500 cycles) ; elle augmente si la profondeur de décharge est faible (près de 100 000 cycles à 10 % de profondeur de décharge).
● Recharge rapide : jusqu’à 80 % en 1 h 30, recharge complète en
6 h.
● Plage de température de fonctionnement importante (− 30 °C à
+ 50 °C).
● Insensibilité aux traitements mécaniques et électriques.
● Opérations de maintenance simplifiées.
● Aptitude à supporter la décharge profonde.
● Éléments recyclables à 99,96 %.
● Coût d’exploitation le plus bas du marché, malgré un coût initial
élevé.
■ Ces batteries ont les inconvénients suivants.
● Grande toxicité du cadmium.
● Effet mémoire important, qui se traduit par une diminution progressive de la capacité énergétique, lorsque la batterie n’est pas
déchargée à fond.
● Usure prématurée en mode tampon, ce qui pose des problèmes
avec les ordinateurs portables, les téléphones sans fils...
L’ensemble de ces qualités font que l’on recommande le couple
Ni-Cd dans toutes les applications d’outillage portatif, mais qu’on le
rejette de celles où un fonctionnement tampon est demandé. L’effet
mémoire n’est pas gênant, car il n’apparaît que lentement. Une
décharge complète périodique suffit alors.
1.1.5 Utilisation
On peut aujourd’hui ramener, de façon schématique, l’utilisation
des couples plomb-acide et Ni-Cd, aux applications à faible coût ou
à forte capacité stockée.
U, I
CHARGEURS DE BATTERIES
U
I
0
t1
t2
t3
t
Figure 1 – Profil de charge standard
Le plomb-acide reste utilisé pour la plupart des applications fixes,
voire de traction. Il est synonyme de forte puissance, de charge
rapide et de faible coût. Mais il ne supporte pas la décharge profonde et sa puissance décroît avec l’état de charge.
Le Ni-Cd sert aussi en traction et dans toutes les applications
d’outillage portatif. Il donne des éléments robustes, qui supportent
les décharges profondes répétées. De plus, il fournit une puissance
qui ne dépend pas beaucoup de l’état de charge.
Les autres couples évoluent tellement vite, qu’il est impossible de
les cataloguer. Les ordinateurs portables sont passés par exemple,
en quelques années, du Ni-MH, au Li-ion, pour utiliser maintenant
du Li-polymère [8]. La forte capacité énergétique offerte par le
lithium explique cet engouement dans les applications à hautes performances, où la masse est une contrainte. De plus, cet élément ne
présente pas d’effet mémoire. Le prix de ces batteries reste encore
un obstacle.
Il faut souligner pour finir la rareté et la toxicité du cadmium, qui
réduit son intérêt.
1.2 Différents types de profil de charge
Suivant la technologie de la batterie utilisée, il faut respecter tel
ou tel mode de décharge et donc de charge des accumulateurs. Ces
méthodes de charge sont en pleine évolution, mais nous allons définir les plus courantes.
1.2.1 Généralités
Pour charger complètement un accumulateur, il faut lui restituer
une quantité d’électricité supérieure à celle qui a été déchargée. Les
pertes faradiques (c’est-à-dire relatives au bilan des quantités
d’électricité échangées) sont dues à la réaction parasite d’électrolyse de l’eau. On définit donc un coefficient de charge, rapport entre
la quantité d’électricité chargée et celle déchargée, qui varie de 1,10
à 1,20 pour les batteries au plomb.
Différents types de charges peuvent être adoptés suivant l’application, le couple électrochimique et la rapidité de recharge désirée.
Les méthodes de charge peuvent être séparées entre profils à tension constante et ceux à courant constant.
La figure 1 montre que, en pratique, on associe les avantages de
la charge à tension U constante (récupération rapide de la capacité,
courant final de charge faible) à ceux de la charge à courant I constant (bonne utilisation de la puissance de la source de charge), tout
en diminuant les inconvénients de chacun : puissance élevée de la
source à tension constante, nécessité d’une régulation de courant
(I = Cte), rythme de charge lent, tension forte en fin de charge.
Nous noterons ces profils de la façon suivante :
— I-U-a (I = Cte, U = Cte, puis arrêt) ;
— I-U-I (I = Cte, puis U = Cte, puis I = Cte pour batterie Pb à
recombinaison) ;
— I-W-I (I = Cte, puis puissance W = Cte, puis I = Cte pour batterie
Pb ouverte).
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3e régime
2,4
2e régime
2,28
Égalisation
1er régime
1,8
0
0,2 Id 0,3 Id
Id
Courant de la batterie
Id (A) courant de décharge nominal
Tension de la batterie par élément (V)
Tension de la batterie par élément (V)
CHARGEURS DE BATTERIES ______________________________________________________________________________________________________________
3e régime
2e régime
2,35
1er régime
1,8
0
I2
I1
Courant de la batterie
Figure 3 – Profil de charge de type I-U-I
Figure 2 – Profil de charge de type I-W-I
Nous allons maintenant étudier ces différents profils au travers de
leur application aux batteries au plomb, en rappelant que C est la
capacité nominale, exprimée en ampères-heures, de la batterie.
1.2.2 Profil standard pour les batteries au plomb
ouvertes
La caractéristique de charge utilisée avec les batteries au plomb
ouvertes est dite I-W-I, c’est-à-dire courant constant, puis décroissant (pente à puissance constante), puis courant constant. La
figure 2 présente le profil temporel correspondant. Nous y remarquons trois étapes : premier et deuxième régimes, troisième
régime : égalisation.
■ La première phase se traduit par l’injection d’un courant constant
dans la batterie, souvent choisi égal au dixième de la capacité
horaire nominale :
C ( exprimé en Ah )
----------------------------------------------------- .
10 h
Durant toute cette période, la batterie recouvre progressivement
sa capacité nominale. À la fin de cette étape, lorsque la tension de
chaque élément atteint 2,28 V, le chargeur passe à la deuxième
phase. Le courant décroît alors progressivement au fur et à mesure
de la montée de la tension. Cette tension parvient à 2,4 V par élément, l’état de charge de la batterie est alors de l’ordre de 90 %, et le
chargeur passe en troisième régime ; le courant est maintenu constant à 0,3 Id (Id étant le courant de décharge nominal). La tension
continue alors de croître, pour se stabiliser.
Lors de la phase d’égalisation, le chargeur fournit un courant
constant Id, soit une charge de l’ordre de 0,15 à 0,2 C. Sa durée
dépend, bien sûr, de l’état de décharge initial de la batterie. La transition entre les phases 2 et 3 est brutale, d’où la rupture qui apparaît,
sur la figure 2, sur la trajectoire tension-courant.
■ Les transitions entre les différentes phases sont assez simples à contrôler. Le passage du premier au second régime est commandé par un dispositif voltmétrique (2,28 V/élément), de même
pour celui du second au troisième régime (2,4 V/élément). L’arrêt est
commandé par un dispositif de temporisation.
Une charge d’égalisation, complémentaire, peut être effectuée, à
courant constant de faible valeur, pendant un temps prédéterminé
(12 h). L’analyse de I, de U, de la capacité chargée (en 1 h), ainsi que
le temps t, permettent de déterminer l’instant d’arrêt du chargeur.
■ Pourquoi cette phase d’égalisation ? Les batteries étant
connectées en série, il peut apparaître de légères différences de
charges entre les blocs. Ce phénomène s’accentue dans le temps et
peut diminuer l’autonomie du véhicule à long terme. Il est donc
recommandé de réaliser une égalisation des tensions entre chaque
E 3 994 − 4
bloc par une charge à 0,3 Id pendant un temps de l’ordre d’une trentaine d’heures.
1.2.3 Profil standard pour les batteries ou plomb
« étanche » ou à recombinaison
La caractéristique de charge utilisée par les batteries au plomb
étanche est dite I-U-I, c’est-à-dire courant constant, tension constante, puis courant constant. La figure 3 détaille son allure temporelle.
■ Le chargeur fournit un courant constant I1, soit une charge de
l’ordre de 0,15 à 0,2 C. La durée de cette première phase dépend,
bien sûr, de l’état de décharge initial de la batterie. Lorsque la tension de la batterie atteint 2,35 V par élément, le chargeur passe alors
en deuxième régime. Le courant décroît progressivement. Dès que
le courant atteint une valeur I2 de l’ordre de 2,6 A pour une batterie
de capacité comprise entre 150 et 170 Ah, le chargeur passe en troisième régime : le courant est maintenu constant. Le chargeur
s’arrête grâce à la minuterie de fin de charge.
■ Le passage du premier au deuxième régime est commandé par
un dispositif voltmétrique (2,35 V/élément). Le passage du
deuxième au troisième régime s’effectue lorsque le courant atteint
la valeur prédéterminée I2. L’arrêt est commandé par un dispositif de
temporisation dépendant des temps cumulés des premier et
deuxième régimes.
Une charge d’égalisation, complémentaire, peut être effectuée, à
courant constant de faible valeur, pendant un temps prédéterminé
(12 h). Elle se fait comme pour les batteries ouvertes (§ 1.2.2), mais
à un régime de 0,5 I2.
1.2.4 Profil standard pour les batteries Ni-Cd :
étanches par définition
On utilise dans ce cas une loi de charge de type I-I-a, dont nous
allons détailler les trois phases.
Durant la première phase, le courant est limité soit par la batterie
(capacité de 0,1 à 0,2 C), soit par les possibilités du chargeur. Elle se
termine lorsque la tension atteint un seuil prédéterminé de 1,4 à
1,5 V par élément.
La deuxième phase consiste à imposer un autre courant constant
inférieur au premier. On y arrête la charge par détection de la tension maximale, voire même, pour les petites unités (piles rechargeables), par une décroissance de la tension (environ 20 mV par élément).
Les batteries étanches font appel à la détection d’une remontée
du courant après la charge complète, courant dû au changement des
réactions électrochimiques, suite à l’augmentation de la température et de la pression interne.
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1.2.5 Batteries intelligentes
U (V)
Il est souhaitable de contrôler l’élévation de la température pour
une charge rapide ou alors d’effectuer un « biberonnage » évitant
d’atteindre la charge à 100 % et donc une élévation significative de
la température.
13,5
On note que plus la charge est rapide, plus il faut contrôler de
paramètres, on parle de « batteries intelligentes », comme le suggère la figure 4. Ces batteries gérées par un processeur interne présentent les avantages suivants :
— possibilité d’allier durée de vie et temps de charge en contrôlant la valeur du courant optimal en fonction de l’état de décharge
initial et de la rapidité de charge désirée ;
— possibilité de mesurer la résistance interne et d’en déduire
l’âge ou la qualité de la batterie ;
— possibilité de contrôler l’homogénisation de la température
par un refroidissement forcé ;
— possibilité de mesurer l’acceptance pour augmenter le nombre
de cycle de charge-décharge et donc sa durée de vie ;
Nota : l’acceptance est, par définition, le courant limite qu’un accumulateur peut
accepter avec une électrolyse acceptable ; celle-ci varie pendant la charge en fonction du
temps, de la température, de l’état de charge... .
— possibilité d’équilibrer la tension entre les éléments pendant
les phases de freinage par récupération ;
— possibilité d’interdire une décharge en dessous d’un certain
seuil.
L’état de charge des éléments au plomb est très facile à évaluer,
car leur tension à vide en est le reflet. En revanche, pour les autres
couples, il est beaucoup plus difficile de connaître la quantité
d’énergie emmagasinée. La solution la plus efficace est celle du
compteur d’ampères-tours embarqué, mais cette solution n’est pas
applicable aux petits éléments. Certains chargeurs proposent une
décharge préalable totale, qui a pour but d’éliminer l’effet mémoire
et d’éviter l’électrolyse. Ils ne sont évidemment pas compatibles
avec les batteries au plomb. De plus, ils réduisent la durée de vie de
la batterie, en imposant des cycles de décharge profond, alors
qu’une décharge totale toutes les dix recharges serait suffisante.
Mono-bloc d'éléments
Calculs
gestion
des données
Communication
Consigne de
refroidissement
Tableau de bord
Seuil haut
alerte
Seuil haut
alerte
Gestion de
la charge
État de
charge
Ordinateur
de bord
Température
Courant
Consigne de
charge
Consigne de
charge
Tension
par bloc
13
12,5
12
0
400
600
800
1 000
1 200 t (min)
Chaque courbe, qui correspond à la tension d'un élément,
met en évidence la dispersion due à la charge
Figure 5 – Évolution temporelle de la tension de charge d’un bloc
de 96 V, de 8 éléments de 12 V en série
Nous noterons pour finir que les lois de charge sont en pleine évolution, mais les essais sont très longs car ils se réalisent sur la durée
de vie complète de la batterie voulue extrêmement longue. Les
microcontrôleurs permettent une surveillance au plus près de la vie
de la batterie, en apportant une intelligence dans leur gestion.
1.3 Chargeurs multiples
1.2.6 Conclusion
Mesure
CHARGEURS DE BATTERIES
État de
charge
Mémorisation
des données
Système de
refroidissement
Borne de
recharge ou
chargeur
embarqué
Figure 4 – Chargeur de batterie intelligent : schéma synoptique
Nous avons examiné les différentes batteries et leurs cycles ;
nous allons maintenant nous intéresser au principe des chargeurs
multiples ; on trouvera l’étude de leur réalisation interne au
paragraphe 4.
1.3.1 Généralités
Une batterie est toujours réalisée en connectant en série plusieurs
éléments. Les déséquilibres répétés dans la répartition de la charge
introduisent un vieillissement prématuré de certains éléments, surchargés ou sous-chargés. Les performances du bloc étant définies
par celles de l’élément le plus faible, il est important, lorsque la tension totale du bloc de batterie est importante, de scinder le chargeur
en plusieurs sous-chargeurs, qui répartiront de façon égale les charges. La figure 5 présente, à titre d’exemple, l’évolution temporelle
de la charge d’un bloc de 96 V, réparti en 8 éléments de 12 V chacun.
Nous remarquons sur cette figure, le déséquilibre entre les tensions, qui ne fera que s’accentuer, si aucune mesure n’est prise.
Trois solutions sont envisageables pour remédier à ce problème,
comme nous allons le voir.
1.3.2 Chargeur unique avec instrumentation
Nous avons vu (§ 1.2.2) qu’une charge d’égalisation, qui consiste
à faire passer un faible courant de charge dans tous les éléments,
améliore la répartition des charges entre éléments. Mais cette opération prend du temps et consomme une énergie non négligeable.
De plus, n’ayant pas accès aux tensions élémentaires des différents
éléments, la gestion globale de la charge laisse la possibilité de
sous-charger quelques éléments. Dès que la tension totale du bloc
de batteries dépasse 48 V, il devient nécessaire de gérer la charge
des divers blocs d’éléments. Le contrôleur correspondant peut être
inclus dans le chargeur ou dans la jauge.
La figure 6 présente une configuration à chargeur unique, avec
instrumentation séparée des différents sous-éléments.
Dans cette structure, la connaissance des différentes tensions
intermédiaires permet d’optimiser la tension et le courant fournis
par le chargeur principal.
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E 3 994 − 5
CHARGEURS DE BATTERIES ______________________________________________________________________________________________________________
Bloc de
mesures
Réseau
Bloc de
mesures
Chargeur
Chargeur
multi sorties
P
Réseau
Bloc de
mesures
Figure 6 – Pilotage des blocs par contrôleur, avec instrumentation
séparée des différents sous-éléments
P puissance totale de charge
Figure 8 – Chargeur multisorties
Réseau
Chargeur
P/n
Redresseur
Chargeur
P/n
Réseau 230 V - 16 A
Batterie
Chargeur
P/n
Figure 9 – Chargeur direct : structure de base
Chargeur
P/n
P puissance totale de charge
n nombre de chargeurs
Figure 7 – Chargeur multiple composé de chargeurs indépendants
1.3.3 Chargeur multiple à modules indépendants
La figure 7 présente l’architecture idéale, qui utilise un chargeur
par élément ou par bloc indissociable. Cette solution est coûteuse,
même si la puissance unitaire de chacun des chargeurs est réduite.
Dans ce cas, chaque chargeur est autonome, avec son propre pilotage (capteurs, intelligence...).
1.3.4 Chargeur multisorties
La troisième solution revient à utiliser un chargeur à plusieurs
sorties (figure 8), qui pourront être commutées électroniquement
ou électromécaniquement. Son principe de gestion reste semblable
à celui de la figure 7.
1.3.5 Chargeur d’équilibrage à puissance réduite
Concluons sur le fait qu’il est possible d’utiliser un « petit » chargeur auxiliaire d’équilibrage, de puissance réduite. Il fonctionnera
en période de repos ou de décharge de la batterie, afin de compenser les déséquilibres entre éléments ou de réaliser une recharge partielle. On retrouve à cette occasion les deux architectures des
figures 7 et 8.
E 3 994 − 6
2. Chargeurs
pour applications à faible
coût
Nous avons, au paragraphe 1, examiné les différents types de batteries, avec leurs profils de charge. Nous allons dans ce paragraphe
nous intéresser aux chargeurs économiques, en examinant les chargeurs directs, puis ceux à tension constante et ceux à gradateur,
pour finir par les modèles intégrés.
Tous les chargeurs de batteries existants comportent les mêmes
fonctions de séparation, d’abaissement de tension, de conversion
alternatif/continu ou continu/continu. Ce qui change dans les différentes versions est le module de conversion de puissance et le
contrôleur d’énergie. Ces derniers éléments peuvent aller de la fonction la plus rustique à la plus sophistiquée, selon que des circuits
intégrés dédiés sont utilisés ou non.
2.1 Chargeur direct
C’est la structure de chargeur la plus sommaire ; on retrouve,
d’une part, la fonction abaissement et isolation de la tension du
réseau et, d’autre part, la conversion alternatif/continu (redressement) alimentant la batterie directement. La charge est, dans ce cas,
de type I-U-I, comme nous l’avons vu au paragraphe 1.2.3. La
figure 9 décrit le schéma correspondant. Le courant de charge est
limité par l’impédance du transformateur.
■ Ce système est couramment utilisé pour effectuer une recharge
occasionnelle de batterie au plomb, dans une voiture thermique par
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Redresseur
Réseau
230 V - 16 A
Redresseur
Régulateur
de tension
CR
CHARGEURS DE BATTERIES
Gradateur
Batterie
Réseau
230 V - 16 A
Batterie
CR condensateur pour le filtrage de l'ondulation du réseau
Figure 11 – Chargeur à gradateur
Figure 10 – Chargeur à tension constante avec régulateur de tension
électronique
exemple. La force contre-électromotrice du couple plomb-acide
augmente avec l’état de charge, ce qui permet de bloquer au bout de
quelques heures la charge de façon spontanée. Malheureusement,
le courant fourni par le chargeur est pulsé. De plus, la tension fournie par le réseau étant variable avec une tolérance de 10 %, la tension fournie par le chargeur est légèrement surdimensionnée, afin
de garantir un minimum de 2 V par élément dans le pire des cas. Il
s’ensuit, en utilisation normale, une forte électrolyse en fin de cycle,
qui peut endommager l’accumulateur à la longue.
■ Certaines batteries au Ni-Cd utilisent aussi ce principe pour des
raisons économiques. Dans ce cas, il faut y adjoindre une temporisation pour limiter le courant total absorbé, car la force contre-électromotrice interne ne régule pas la charge. Un autre limiteur de
charge simple consiste à utiliser la température de l’élément,
comme information de fin de charge. En effet, lorsque la réaction
électrochimique est terminée, l’électrolyse qui en résulte provoque
un fort échauffement de la température interne. Cette information
est utilisée pour déconnecter la batterie, via une thermistance collée
dans le bloc.
■ Ce principe de la charge directe se retrouve dans les systèmes
photovoltaïques, où il n’est plus question de régulation de courant,
mais au contraire de récupération maximale de l’énergie solaire.
Cette application fixe utilise des batteries au plomb, pour des raisons de coût et de facilité de gestion de l’énergie. Dans ce cas, la batterie est directement reliée au panneau photovoltaïque durant toute
la charge. Lorsque la tension atteint 2,4 V par élément, un contacteur
isole la source d’énergie, pour ne la remettre en service que lorsque
cette valeur est retombée en dessous de 2,2 V. Il s’ensuit de très
nombreux cycles de charge/décharge, d’amplitude réduite, qui n’ont
que peu d’incidence sur la vie des accumulateurs. Au contraire, une
profondeur de décharge inférieure à 10 % ne provoque qu’une usure
réduite.
2.2 Chargeur à tension constante
Dans cette architecture, on intercale entre le redresseur et la batterie, un régulateur de tension électronique, comme le présente la
figure 10. Les régulateurs de tension classiques de série 78XX
(constructeurs : Texas Instruments, Motorola, Thomson CSF,
Siemens) conviennent parfaitement, car ils contiennent une limitation interne du courant.
■ Dans le cas d’accumulateurs au plomb, la charge sera de type
I-U-I (§ 1.2.3), car la force contre-électromotrice des éléments augmente avec l’état de charge. Cette structure est excellente pour les
applications du type batterie tampon (alarme...). Elle garantit, en
effet, une charge optimale, en compensant le courant d’autodécharge. Si la tension par élément est limitée à 2,2 V, l’électrolyse en
fin de cycle sera réduite.
■ Cette structure peut être aussi utilisée avec des accumulateurs au
Ni-Cd, mais avec moins de bonheur, car l’électrolyse ne sera pas
contrôlée. Certains appareils portables économiques utilisent ce
principe (téléphones sans fil d’intérieur...), avec, pour corollaire, une
usure rapide des batteries (3 ans).
■ Précisons que l’on retrouve ce principe de charge à tension constante dans les voitures thermiques. L’inducteur de leur alternateur
est régulé, afin de fournir, en sortie du redresseur à diodes, une tension constante de 14 V, quelle que soit la vitesse de rotation du
moteur. Lorsque cet étage de contrôle est détérioré soit la batterie se
vide (tension insuffisante), soit elle explose sous l’effet de l’électrolyse (tension trop forte).
2.3 Chargeur à gradateur
Dans cette structure, présentée sur la figure 11, on intercale entre
le transformateur et le redresseur, un gradateur. Ce dernier élément,
en régulant la tension efficace appliquée au redresseur, permet de
contrôler le courant de charge. Nous retrouvons, toutefois, dans la
batterie un courant pulsé au double de la fréquence du secteur.
Des puissances importantes peuvent être installées dans un
volume réduit, ce qui a conduit la SNCF à en retenir le principe pour
ses voitures de voyageurs (batteries auxiliaires). Les chargeurs pour
chariots automoteurs d’usine utilisent aussi ce principe.
2.4 Chargeur intégré
Les circuits pour la gestion des batteries sont aujourd’hui nombreux et il est difficile de s’y retrouver. Nous allons en examiner
quelques uns, en les classant en deux grands types :
— gestion de la charge et de la décharge ;
— connaissance de la quantité d’électricité fournie ou consommée.
L’adresse électronique des fournisseurs de ces composants est
donnée en [Doc. E 3 994]. Le lecteur y trouvera des notes d’applications et des informations techniques.
2.4.1 Circuits de gestion de la charge
et de la décharge
■ U2400B de Telefunken
Ce circuit est le plus ancien de tous. Il permet de gérer le courant
de charge par modulation de la largeur d’impulsion ; il nécessite un
transistor de puissance et une limitation de courant externe. Il
contrôle la tension de fin de charge ou de décharge (fixées par une
résistance externe), ainsi que la température. Il gère aussi les temps
de charge limites. Toute une famille est dérivée du produit d’origine.
■ MAX846A de Maxim
Ce circuit est conçu avec un microcontrôleur intégré. Il gère tous
les paramètres utiles à la charge. Il nécessite un transistor de puissance extérieur. Il charge aussi les éléments Li-ion et Ni-MH.
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E 3 994 − 7
CHARGEURS DE BATTERIES ______________________________________________________________________________________________________________
■ MAX1640 de Maxim et ADP3811 de Analog Device
Ces circuits offrent un courant de charge programmable, une tension de fin de charge ajustable par résistance externe et une régulation par modulation de largeur d’impulsion avec sortie pour
optocoupleur. Ils chargent aussi les éléments Ni-MH (référence
ADP3810 pour Li-ion).
■ TSM101
Il est très simple à utiliser. Il compare la tension et le courant délivrés par l’alimentation amont à des valeurs de références internes et
délivre un signal à la boucle de régulation.
Il faut noter que, dans certaines applications, où la batterie est
essentiellement utilisée en tampon, une usure prématurée peut arriver à cause des faux cycles imposés par le chargeur.
Exemple : les ordinateurs individuels sont la plupart du temps utilisés sur le réseau. Si l’ordinateur est débranché le soir, le lendemain
matin, le courant d’autodécharge de la batterie trompera le chargeur en
lui redemandant un complément de charge. Si l’utilisateur débranche
plusieurs fois par jour son ordinateur, cette multitude de sous-cycles
usera prématurément la batterie.
Les parades simples à ce problème consistent soit à toujours laisser
le chargeur en marche, soit à débrancher la batterie en utilisation
réseau, soit encore à choisir simplement l’option de charge réduite
dans le gestionnaire.
■ MC33340 de Motorola
Ce circuit détecte la décroissance de la courbe de tension en fin de
charge en fonction du temps (à 4 mV près). Cette mesure est faite
par échantillonnage de la tension de la batterie en arrêtant un bref
instant le courant de charge. Il est capable de traiter la mesure de
température et il gère les charges rapides et accélérées (1 à 4 h). Son
principe de fonctionnement optimise la durée de vie de la batterie.
3. Chargeurs évolués
à absorption sinusoïdale
depuis le réseau
■ ICS1702 de Galaxy Power Inc.
Ce circuit détecte la décroissance de la courbe de tension en fin de
charge en fonction du temps. Cette mesure est aussi faite par échantillonnage de la tension de la batterie, en arrêtant un bref instant le
courant de charge. Il est capable de traiter la mesure de température
et gère les charges rapides et accélérées (1 à 4 h). Ce circuit génère
la charge par de courts cycles de charge, brève décharge, arrêt pour
la mesure. Il gère aussi un nouveau style de charge qui commence
par une charge rapide au courant nominal In, puis une charge normale In/10, et enfin un courant d’entretien. Le composant surveille
en permanence l’état de charge de l’accumulateur.
Nous allons, dans ce troisième paragraphe, étudier les structures
de puissances utilisées pour les hacheurs industriels à absorption
sinusoïdale alimentés par le réseau. Leur cahier des charges très
contraignant permettra de déduire les solutions pour des versions
simplifiées. Cette catégorie de chargeurs se rencontre le plus souvent dans les véhicules électriques ; nous baserons donc notre
étude sur ce problème d’actualité, en pleine évolution.
3.1 Synoptique général
Exemple d’application : montage électronique complet.
2.4.2 Circuit de surveillance de la quantité
d’électricité échangée
Le circuit bq2018 (Benchmarq) est piloté par un microcontrôleur,
qui lui permet de connaître en permanence la quantité d’électricité
présente dans l’accumulateur. Une résistance en série sur la masse
lui donne la possibilité de mesurer les courants de charge et de
décharge. La décharge naturelle au repos est prise en compte en
fonction de la température à l’aide d’un compteur interne, qui permet aussi de contrôler les temps de charge et de décharge. Le capteur de température est intégré au boîtier. Toutes les données sont
stockées dans des registres 8 bits internes accessibles par un port
série.
Le composant possède une sortie capable de piloter un MOSFET
(transistor à effet de champ) externe pour réguler sa tension d’alimentation. Il gère aussi les batteries Li-ion et Ni-MH.
2.5 Applications
Il faut reconnaître que les chargeurs simples que nous venons
d’examiner constituent la plus grande partie des applications, car ils
concernent les petits éléments. Il existe d’autres circuits spécialisés
qui gèrent aussi bien la charge que la décharge ou, encore, la température de la batterie. Les chargeurs sont souvent intégrés dans la
batterie, pour les applications haut de gamme, ce qui permet de
prendre en compte leur vieillissement.
E 3 994 − 8
Les deux fonctions que doivent remplir un chargeur se déduisent
de l’analyse que nous avons effectuée dans le paragraphe 1, à
savoir la conversion de puissance et la régulation de la charge. Nous
nous concentrerons dans toute cette partie sur la conversion de
puissance, le contrôle de l’état de la batterie ayant été abordé dans
les paragraphes 1 et 2. La figure 12 présente le synoptique général
d’un tel chargeur.
La fonction de conversion de puissance peut être décomposée en
deux parties, redressement ① puis découpage continu/continu ②. Il
est possible d’utiliser des structures sophistiquées qui intègrent ces
deux fonctions en une seule ou qui passent par un étage à haute fréquence, mais nous les laisserons de côté, pour nous concentrer sur
celles qui sont adoptées par la plupart des chargeurs industriels.
Le redressement utilise un simple pont de diodes. La fonction de
conversion continu/continu doit répondre à deux contraintes liées :
réguler le courant dans la charge selon une loi donnée et imposer au
réseau un courant absorbé sinusoïdal. Pour y parvenir, nous verrons
qu’il peut être intéressant d’utiliser deux étages distincts. Nous verrons, à cette occasion, l’influence de l’emplacement du transformateur d’isolement galvanique.
3.2 Contraintes des chargeurs embarqués
Les chargeurs évolués doivent respecter certaines contraintes,
relatives aux normes de sécurité ou de compatibilité électromagnétique. Elles sont encore plus sévères que pour les applications
embarquées. Examinons ces points pour commencer.
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_____________________________________________________________________________________________________________
Conversion
alternatif/continu
Réseau
monophasé
230 V - 16 A
CHARGEURS DE BATTERIES
Système
à découpage
Régulation
1
2
Figure 12 – Synoptique général d’un chargeur à absorption sinusoïdale
3.2.1 Sécurité des personnes et des biens
Tout équipement électrique doit avoir, selon la norme CEI 718,
une alimentation isolée galvaniquement du réseau. En cas de nonisolation du chargeur, un disjoncteur différentiel doit être incorporé
à la prise d’alimentation, sachant que son fonctionnement peut-être
perturbé par la présence d’une composante continue de tension
issue de la batterie.
C’est ainsi que l’on préfère séparer les batteries du réseau par un
transformateur ou, dans certaines architectures, placer cette isolation plus en aval en disposant d’un étage à résonance à isolation
galvanique incorporée (cf. figure 24).
Il faut signaler, pour les véhicules électriques, le seuil limite de la
très basse tension en continu qui est de 120 V pour le bloc complet
de batteries. Cela ne dispense pas de protections adéquates, en raison des courants très intenses qui peuvent circuler en cas de défaut.
3.2.2 Évacuation thermique
Un chargeur de 3 kW, avec un rendement très satisfaisant de
95 %, doit dissiper 150 W, sachant que son emplacement est souvent peu propice à son refroidissement. Par exemple, dans un véhicule électrique, suivant l’exposition au soleil, les températures
rencontrées sous le capot peuvent dépasser 100 °C.
Certains constructeurs ont donc créé un refroidissement liquide
de l’ensemble convertisseur-moteur-chargeur, à défaut d’une ventilation forcée, qui aspire de l’air extérieur.
3.2.3 Compatibilité électromagnétique
Les solutions proposées doivent respecter la norme CEI
61000.3-2 au niveau de la compatibilité électromagnétique (CEM)
[6]. Elle distingue quatre classes de puissances.
Classe A : équipement triphasé équilibré et tout autre équipement
à l’exception de ceux qui sont indiqués dans l’une des classes suivantes.
Classe B : outils portatifs.
Classe C : équipement d’éclairage y compris les variateurs de
lumière.
Classe D : équipement ayant un courant d’entrée « à forme
spéciale », tel que défini par la figure 13, et dont la puissance active
d’entrée est inférieure à 600 W.
Quelle que soit la forme d’onde du courant d’entrée, les équipements de classe B et de classe C et, provisoirement, les équipements à contrôle de phase ne sont pas considérés comme des
équipements de classe D.
Un équipement appartient à la classe D si la forme du courant
d’entrée de chaque demi-période, par rapport à sa valeur crête Ipk
I/Ipk
π /3
π /3
π /3
1
M
0,35
0
π /2
π
t
Figure 13 – Enveloppe du courant d’entrée permettant de définir
la forme d’onde spéciale et de classer un équipement
dans la classe D
est comprise dans l’enveloppe indiquée sur la figure 13 pendant au
moins 95 % de la durée de chaque demi-période ; cela implique que
les ondes ayant de petits pics à l’extérieur de l’enveloppe sont
considérées comme étant comprises dans l’enveloppe. La ligne
médiane M coïncide avec la valeur crête du courant d’entrée.
La norme prévoit, en plus d’une contrainte temporelle, un gabarit
spectral du courant :
— pour la classe A, les harmoniques de courant d’entrée des
équipements ne doivent pas dépasser les valeurs absolues indiquées dans le tableau 2 ;
— pour les équipements de classe D, les limites des courants harmoniques sont définies dans les conditions de charge assignées ;
les harmoniques du courant d’entrée ne doivent pas dépasser les
valeurs tirées du tableau 3.
3.2.4 Conclusion
Nous mentionnerons pour finir, en plus de la norme CEI
61000.3-2, les normes EN 55014 ou CISPR14, sur les composantes conduites et rayonnées au-delà de 15 kHz. Ces deux normes
nous invitent à optimiser le choix de la meilleure structure de
convertisseur.
3.3 Structures de conversion d’énergie
Pour obtenir une puissance de charge maximale à partir d’une
prise dite domestique, c’est-à-dire 230 V – 16 A, soit 3,6 kW, il faut
absorber un courant en phase avec la tension ou, plus précisément,
avec un facteur de puissance unitaire, comme le demande l’absorption sinusoïdale.
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E 3 994 − 9
CHARGEURS DE BATTERIES ______________________________________________________________________________________________________________
(0)
MOSFET
Tableau 2 – Classe A
L
Courant harmonique maximal
autorisé
(A)
Rang harmonique n
T
Réseau
230 V - 16 A
n impair
3
2,30
5
1,14
7
0,77
9
0,40
11
0,33
13
0,21
15 < n < 39
15
0 ,15 × -----n
C
Pont
redresseur
Commande
Figure 14 – Structure monoétage à hacheur-abaisseur
D
Pont redresseur
n pair
2
1,08
4
0,43
6
0,30
8 < n < 40
8
0 ,23 × --n
Batterie
D
L
T
Réseau
230 V - 16 A
C
Batterie
MOSFET
Commande
(0)
Figure 15 – Structure monoétage à hacheur élévateur
Tableau 3 – Classe D
Rang harmonique n
Courant harmonique Courant harmonique
maximal autorisé
maximal autorisé
(mA/W)
A
3
3,4
2,30
5
1,9
1,14
7
1,0
0,77
9
0,5
0,40
11
0,35
0,33
> 13
extrapolation
3 ,85
linéaire -----------n
cf. classe A
(tableau 2)
Nous avons vu, sur la figure 12, que le synoptique de conversion
de puissance intègre un redresseur, immédiatement suivi d’un
étage de conversion continu/continu, sans filtre intermédiaire. La
tension appliquée au hacheur, pulsée à 100 Hz, passe régulièrement
par zéro. L’énergie doit être soutirée au réseau, avec le minimum de
temps mort, afin de garantir un courant absorbé le plus sinusoïdal
possible. Quatre structures de hacheur sont envisageables [9], [10] :
abaisseur (Buck), élévateur (Boost) et à accumulation capacitive
(Cuck) ou inductive (Flyback), examinons-les en version non isolée
pour les trois premières, sachant qu’elles existent toutes en version
isolée.
3.3.1 Hacheur-abaisseur : Buck
La figure 14 présente le synoptique de ce montage. La tension du
réseau redressée est filtrée par un condensateur C dimensionné visà-vis du découpage seul. Nous y retrouvons la cellule de commuta-
E 3 994 − 10
tion, transistor MOSFET/diode D, avec l’inductance de lissage haute
fréquence L en sortie.
Le courant appelé au réseau est de moins bonne qualité que celui
issu des structures suivantes, en raison du découpage du courant
d’entrée, que le filtre d’entrée doit lisser (inductance de fuites du
transformateur T/condensateur C). La fonction de transfert en tension est égale au rapport cyclique de conduction du transistor. Il ne
peut donc pas élever la tension au-delà de sa valeur d’entrée, ce qui
bloquera la conversion de puissance au voisinage des creux de tension du réseau. Il faut trouver, à cet effet, un compromis entre un
surdimensionnement en courant du montage et une déformation
trop importante du courant du réseau appelé.
Cette structure a l’avantage de pouvoir contrôler le courant du
réseau pendant le démarrage et de protéger le montage en cas de
court-circuit de la charge.
Concluons sur le fait que le transformateur est dimensionné à
50 Hz. Il est possible de réduire sa taille en utilisant un hacheur isolé.
3.3.2 Hacheur-élévateur : Boost
Le hacheur-élévateur de type Boost, présenté sur la figure 15,
comprend un interrupteur commandé (MOSFET dans ce cas), une
diode D et un condensateur C monté en parallèle sur la sortie.
L’inductance L sert de filtre de sortie.
Nous ne retrouvons pas, sur cette figure, l’inductance de lissage
de tête, car cette fonction est réalisée par l’inductance de fuite du
transformateur. Le condensateur monté en parallèle sur l’enroulement primaire du transformateur permet de court-circuiter les courants parasites de découpage qui seraient appelés sur le réseau. Il
induit également une légère avance de phase qui compense
l’empiètement causé par l’inductance de fuite du transformateur.
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_____________________________________________________________________________________________________________
Pont redresseur
L
C
CHARGEURS DE BATTERIES
D
T
T
C
Réseau
230 V - 16 A
D
Batterie
Batterie
C
MOSFET
Réseau
230 V - 16 A
MOSFET
Commande
Pont redresseur
Figure 16 – Structure monoétage à hacheur à accumulation
capacitive
Le condensateur C monté entre la diode de sortie et l’inductance
de lissage remplit la fonction de source de tension instantanée, en
bloquant la tension lors des phases d’accumulation dans la source
de courant d’entrée. Il sert aussi de filtre de sortie en réduisant
l’ondulation du courant délivré à la batterie (pollution harmonique).
Si nous notons α le rapport cyclique de conduction du transistor,
la transmittance en tension de ce hacheur s’écrit 1/α. Le terme α
étant compris entre zéro et l’unité, il est possible de fournir des tensions très supérieures à celle d’entrée, mais jamais inférieure. La
tension de la batterie doit donc toujours être supérieure à la tension
crête au secondaire du transformateur, cette relation déterminant le
transformateur.
Concluons sur la possibilité d’intégrer l’isolement galvanique
dans le hacheur, solution qui ne remet nullement en cause les affirmations précédentes relatives aux valeurs de tension.
3.3.3 Hacheur à accumulation capacitive : Cuck
Le hacheur à accumulation capacitive utilise comme réservoir
intermédiaire d’énergie le condensateur C sur la figure 16. Il utilise
la même astuce que le hacheur type Boost (§ 3.3.2), en réalisant la
source de courant d’entrée, à l’aide de l’inductance de fuites du
transformateur.
Ce convertisseur absorbe et fournit un courant constant, vis-à-vis
du découpage, ce qui le rend particulièrement intéressant pour tenir
les contraintes électromagnétiques.
Sa fonction de transfert s’écrit α /(1−α), où α est encore le rapport
cyclique de conduction du transistor. Il peut, par conséquent, soutirer de l’énergie au réseau, même au voisinage des creux de tension.
De par sa structure en sources de courant en entrée et en sortie, il
est naturellement peu parasitant, ce qui facilite le respect des
normes.
Figure 17 – Hacheur Fly-back
3.3.5 Formes d’ondes pour ces chargeurs évolués
La figure 18 regroupe les formes d’ondes d’entrée et de sortie
générées après filtrage par ces quatre structures.
Elle met en évidence des paliers de non-conduction au voisinage
des creux de tension du réseau, pour les structures Boost et Buck.
Nous avons vu que leur origine est structurelle : la batterie bloque le
convertisseur en dessous d’une valeur minimale de tension
d’entrée. L’amplitude de ces paliers est très faible pour le Boost. Il
est possible de les minimiser pour le Buck en surdimensionnant le
convertisseur, mais au détriment du coût de l’ensemble.
Pour la figure 18 a, nous notons la forme quasi-sinusoïdale du
courant appelé au réseau.
Pour la figure 18 b, nous remarquons un palier à la valeur nulle
du courant du réseau, avec une architecture où l’on retrouve le problème du non-fonctionnement du convertisseur lorsque la tension
d’alimentation est inférieure à la tension de sortie.
Le hacheur Cuck est idéal sous l’angle électromagnétique et
qualité de conversion, mais il est pénalisé par son nombre de
composants. Au contraire, le type Flyback est très économe en
composants mais plus parasitant. L’absorption sinusoïdale
impose un surdimensionnement au hacheur Buck. La solution
Boost présente le meilleur compromis performances/
complexité.
Les structures décrites dans ce paragraphe s’adaptent difficilement aux puissances supérieures à quelques kilowatts, surtout le Flyback. La réponse consiste alors à utiliser des
structures entrelacées ou des montages en pont. Rappelons
aussi l’existence des quatre hacheurs que nous venons d’examiner en version isolée. Ce mode de commutation permet d’augmenter la fréquence de découpage, tout en limitant les pertes.
Il conduit à un fonctionnement plus sain et plus robuste que les
trois autres (figures 14, 15 et 17), aussi nous le préférerons. Il peut
aussi être isolé.
3.4 Étude de la commande
3.3.4 Hacheur à accumulation inductive isolé
(Flyback)
Quelle que soit la structure retenue, il faut intégrer au convertisseur un asservissement du courant appelé au réseau qui doit suivre
une loi d’évolution temporelle sinusoïdale. Mais il faut aussi contrôler la puissance de charge injectée dans la batterie.
De façon duale par rapport au Cuck, le hacheur à accumulation
inductive utilise comme réservoir d’énergie intermédiaire une
inductance. Il se rencontre la plupart du temps en version isolée, car
le nombre de composants y est minimal.
3.4.1 Généralités
Cette structure à entrées en source de tension, présentée sur la
figure 17, s’adapte bien à l’absorption sinusoïdale. La dureté de ses
commutations la fait toutefois rejeter en forte puissance. Elle présente également l’inconvénient de demander un condensateur en
tête, qui induit des harmoniques sur le réseau, même si celui-ci
réduit l’ondulation du courant de charge.
De nombreuses solutions sont envisageables. Nous n’examinerons que le schéma de principe très simplifié de la figure 19, où
deux boucles de courant et de tension sont imbriquées. Un processeur optimise le fonctionnement global et des boucles secondaires
fonctionnent en parallèle sur la boucle principale. Le microcontrôleur gère aussi les instants de démarrage et le poids des différentes
boucles, suivant le profil de charge désiré.
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E 3 994 − 11
u réseau
u réseau
CHARGEURS DE BATTERIES ______________________________________________________________________________________________________________
T
0
t
0
T
t
t
i appelé au réseau
T
T/2
T
t
0
T/2
T
t
0
T/2
T
t
T
t
u redressé
0
T/2
u redressé
i appelé au réseau
T/2
i batterie
T/2
i batterie
0
0
T/2
T
0
t
a ondes obtenues avec stockage
intermédiaire (Cuck, Flyback)
T/2
b ondes obtenues sans stockage
intermédiaire (Buck, Boost)
Figure 18 – Formes d’ondes générées par les quatre structures de hacheurs
Image de
i réseau
Image de
u réseau
Image de
u sortie
Réseau
230 V - 16 A
Redresseur
Hacheur
Batterie
Réglage initial
+
--
Commande
du hacheur
Adaptation et
traitement
des signaux
Microcontrôleur
Figure 19 – Synoptique de principe simplifié des boucles de régulation
À partir de ce synoptique, deux régulations sont possibles : en
tension ou en courant. Nous allons les examiner en les appliquant
au convertisseur Boost, sachant que les autres structures pourront
s’en inspirer directement.
3.4.2 Régulation en tension pure
Dans cette régulation, le courant d’entrée n’est pas contrôlé en
amplitude. L’absorption sinusoïdale est réalisée alors en imposant
E 3 994 − 12
une fonction de transfert sinusoïdale Vsin au hacheur. La figure 20
présente le schéma synoptique correspondant.
La tension primaire alternative sert de référence pour le hacheur.
Ce signal est alors multiplié par l’écart entre la consigne de tension
de sortie et sa mesure. Nous comprenons que la boucle n’affecte
que le contrôle de la tension moyenne de sortie, qui sera forcément
pulsée à 100 Hz. Ce synoptique donne un chargeur sensible aux
variations de la tension du réseau. Il est possible de l’améliorer, en
ajoutant une compensation préalable vis-à-vis de ces perturbations.
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Vsin
Réseau 50 Hz
Convertisseur Boost
CHARGEURS DE BATTERIES
Vers sortie
Contrôle du courant
Vi
Capteur
de tension
d'entrée
Ke
Élaboration K ,V
e sin
de la
sinusoïde
de référence
Élaboration
de l'erreur
Multiplieur
Capteur
de tension
de sortie
Consigne
de tension
de sortie
Vsin tension sinusoïdale du réseau
Vi
tension de commande
Figure 20 – Principe de la régulation de tension en analogique
Vsin
Réseau 50 Hz
Convertisseur Boost
Contrôle du courant
Vers sortie
Vi
Capteur
de tension
d'entrée
Ke
Élaboration
de la
sinusoïde
de référence
Ke ,Vsinmax
Multiplieur
Vi
Capteur
de tension
d'entrée
Kf
Élaboration
de la tension
maximale du K
réseau au carré r
Verr
Diviseur
Élaboration
de l'erreur
Kf , Kr ,
(Vsinmax)2
Verr tension d'erreur
Vsin tension sinusoïdale du réseau
Vi
tension de commande
Capteur
de tension
de sortie
Consigne
de tension
de sortie
Figure 21 – Optimisation de la régulation de tension
3.4.3 Améliorations de la régulation de tension
pure
Si nous divisons la tension d’erreur Verr par une image de la tension maximale d’alimentation Vsin max, élevée au carré, alors la puissance fournie à la charge ne dépend plus que de la tension d’erreur
Verr et de la tension de sortie VS. Les fluctuations de la tension du
réseau ne perturbent plus le fonctionnement.
rant des régulations analogiques, soit en courant moyen, soit en
hystérésis.
Il est possible de contrôler la puissance fournie à la charge, à
l’aide de l’amplitude de la sinusoïde du courant absorbé. Une
régulation de tension ou de courant dans la batterie est aussi
envisageable.
La figure 21 présente le schéma synoptique correspondant à ces
améliorations.
3.4.4 Régulation en courant pure
Dans la régulation en courant pure, l’intensité du courant absorbée au primaire est asservie, afin d’évoluer de façon sinusoïdale. La
figure 22 présente le synoptique d’une telle régulation. Le signal de
commande Vi représente la référence que doit suivre le courant au
réseau pour être purement sinusoïdal. On peut l’obtenir en élabo-
3.4.5 Comparaison
Les régulations des paragraphes précédents utilisent des boucles
en mode linéaire. Il est aussi possible de les réaliser en mode d’hystérésis (mode « tout ou rien »), à l’aide d’un comparateur. Nous ne
les détaillerons pas, mais nous citerons, à titre de conclusion, les circuits intégrés spécialisés dans le tableau comparatif 4.
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E 3 994 − 13
CHARGEURS DE BATTERIES ______________________________________________________________________________________________________________
(0)
Tableau 4 – Circuits intégrés spécialisés
Constructeur
Référence
Topologie du
circuit commandé
Mode
de commande
en courant
Fréquence de
fonctionnement
Unitrode
Texas Instruments
UC 3854
Hacheur élévateur
Moyen
Fixe
Régulation
Compris entre 0,98 A consulter
de la tension
et 0,99
sur site Internet
de sortie
Protection contre
les surtensions
en sortie
Régulation
de la puissance
de sortie
Possibilité
de démarrage
progressif
du circuit hacheur
en régulant
le courant d’entrée
Microlinéar
ML 4812
Hacheur élévateur
Moyen
Fixe
Régulation de
Compris entre 0,95
la tension de sortie et 0,99
Limitation
de la tension
de sortie
Régulation
de la puissance
de sortie
Pas de limitation
de courant
Montage sensible
à la fluctuation
de la tension
du réseau
Microlinéar
ML 4813
Hacheur à conduc- Non précisé par le
tion inverse
constructeur
Fixe
Limitation
de la tension
de sortie
Limitation
du courant
d’entrée
Utilisation faible
puissance (au
maximum 100 W)
Microlinéar
ML 4819
Il possède les mêmes propriétés que le ML 4812 mais avec, en plus, un étage de régulation à modulation de largeur
d’impulsion permettant de piloter un convertisseur ; cela lui donne la possibilité d’obtenir une autre sortie continue.
Cherry
Semiconductor
CS 3810
Hacheur élévateur
Siemens
TDA 4816
TDA 4819
Hacheur élévateur Non précisé
par le constructeur
Hystérésis
Variable
Fixe
Fonctions
complémentaires
Échantillonnage
du bus continu
pour réduire
la distorsion due
à l’ondulation
à 100 Hz
Facteur
de puissance
Non précisé par
le constructeur
Observations
complémentaires
Non précisé par
le constructeur
Autorise
un fonctionnement
à puissance
constante ;
puissance
disponible
sur le bus continu
de 1 kW
Non précisé
0,95 à puissance
par le constructeur nominale ;
se dégrade
si la puissance
diminue
Développé surtout
pour les ballasts
électroniques
4. Cas pratiques
4.1 Chargeur monosortie
Ce paragraphe 4 détaille les cas concrets de deux chargeurs
embarqués, réalisés par la société Enertronic, afin d’illustrer les
principes précédents. Le premier modèle, étudié en 1991, servait à
alimenter la voiture Citroën C15 électrique. Il reste d’actualité, en utilisant des choix toujours valables. Le deuxième modèle utilise une
structure multisorties, qui permet d’assurer une bonne homogénéité des charges élémentaires. Ces deux études présentent une
synthèse des idées émises dans les paragraphes précédents.
En application des principes énoncés, nous retenons une structure à deux étages, qui permet de dissocier les fonctions d’absorption sinusoïdale et de charge de la batterie. En effet, un courant trop
pulsé, dans les éléments au plomb de la batterie, y engendrerait un
échauffement trop important. La figure 23 donne le schéma
synoptique général de ce chargeur.
La figure 24 détaille le schéma synoptique de la figure 23.
Nous trouvons, dans ces schémas, les diverses fonctions, que
nous allons examiner successivement.
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réseau sont ainsi compensées. La valeur, qui doit être importante,
du condensateur de sortie du hacheur doit filtrer des oscillations de
courant de charge à 100 Hz.
IE
VE
CHARGEURS DE BATTERIES
Réseau
230 V - 50 Hz
Vsin
Convertisseur
Boost
Charge
VS
Commande
du
transistor
IE
courant d'entrée
VE
Vsin
Vi
VS
tension d'entrée
tension sinusoïdale du réseau
4.1.3 Convertisseur à résonance
Ce type de convertisseur transforme l’énergie stockée dans les
capacités de filtrage situées en sortie de l’étage PFC pour l’adapter à
la charge des batteries via la logique de commande programmée.
Son principe repose sur la résonance série constituée d’un circuit
inductance-condensateur. Ses avantages sont :
— la réduction de l’encombrement et de la masse des filtres, du
transformateur et du circuit oscillant par un découpage à fréquence
inaudible supérieure à 55 kHz ;
— la réduction des pertes en commutation et des perturbations
électromagnétiques en utilisant le principe de la résonance série qui
permet à la fréquence f0 de résonance d’avoir le courant et la tension purement sinusoïdaux ;
— le rendement supérieur à 95 %.
tension de commande
tension de sortie
Correcteur
Capteur
de courant
d'entrée
La présence de ce premier étage facilite le respect de la norme
CEM (CEI 61000), et surtout optimise la puissance appelée sur la
prise du réseau (230 V - 16 A). Le cahier des charges interdisait en
effet l’utilisation d’une prise de forte puissance.
Élaboration
de l'erreur
4.1.4 Logique de commande
Consigne
de courant
d'entrée
Vi
Figure 22 – Principe de la régulation de courant
C’est la partie intelligente du chargeur ; elle commande par l’intermédiaire d’un microcontrôleur les séquencements des différentes
phases de charge de la batterie (I-U-I). Elle assure aussi toutes les
sécurités internes et réalise l’interface homme-machine par une
signalisation.
4.1.1 Filtre du réseau
4.1.5 Sécurités des chargeur, batterie, utilisateur
La fonction du filtre du réseau (figure 23), réalisée avec un
ensemble inductance-capacité est d’atténuer les parasites conduits
par les fils d’alimentation du réseau.
4.2 Chargeur multisorties
4.1.2 Étage de calibrage de la puissance
La fonction PFC (Power factor correction ou correcteur du facteur
de puissance) consiste à absorber un courant sinusoïdal sur le
réseau. Elle est réalisée, conformément à la figure 23, par un
hacheur élévateur direct, qui génère une tension continue constante
de 380 V (comparer à la figure 15). Les fluctuations de la tension du
Réseau
230 V - 16 A
Filtre
du réseau
Le chargeur est géré par un processeur, qui s’occupe des questions de sécurité générale, regroupées dans le tableau 5.
Ce chargeur a été développé en 1995, afin d’améliorer les performances du précédent. Il en reprend la structure, pour la section de
puissance, mais en version multisorties. Il devient ainsi possible
d’assurer une égalisation des charges, avec des éléments qui ont
évolué différemment.
380 Vcc
Correcteur
Convertisseur
de facteur
à résonance
de puissance
96 Vcc
24 A
Convertisseur
auxiliaire
12 Vcc
3A
Logique de
commande
cc courant continu
Bouton poussoir :
demande d'égalisation
Voyant de signalisation
Figure 23 – Synoptique général du chargeur étudié
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CHARGEURS DE BATTERIES ______________________________________________________________________________________________________________
Onduleur
Hacheur Boost
VE
Redresseur
VS
Remise
en forme
du courant
d'entrée
Signal
du
courant
Réseau
230 V - 16 A
Batteries
Logique
de commande
programmable
Figure 24 – Synoptique du chargeur à résonance avec remise en forme du courant d’entrée
(0)
Tableau 5 – Sécurités sur le chargeur Enertronic
Sécurités
Défauts
Déconnexion
batterie 96 V Court- Surtension
en cours
circuit
batterie
de charge
U > 150 V
×
Tension
batterie
Batterie
défectueuse
Protection
thermique
Coupure
du
réseau
Étanchéité
0 > 80 ˚C en
U < 60 V tcharge > 13 h
2 points
×
×
×
×
×
Signalisation du défaut
×
×
×
×
×
Suppression du court-circuit
×
Arrêt chargeur
Microcoupures
×
Reconnexion batteries
Redémarrage après déconnexion
et reconnexion du réseau
×
Protection thermique
0 < 60 ˚C en 2 points
×
Redémarrage automatique
du chargeur
Thermocontacts interdisant
tout redémarrage en cas
de déconnexion des capteurs
×
Fonctionnement sans discontinuité
×
Coupure < 20 ms
Redémarrage automatique
après retour du réseau
×
Protection par fusibles :
– temporisé 20 A en entrée
du réseau
– temporisé 6,3 A en sortie 12 V
×
– temporisé 30 A en sortie 96 V
– IP 54 hors service
– IP 51 durant la charge
IP indice de protection
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×
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Redresseur-chargeur
Régulateur
VA
Onduleur
commun
Régulateur
Régulateur
Figure 25 – Chargeur multisorties : schéma synoptique
autant de tores que de régulateurs secondaires. La modularité est
alors renforcée, avec une maintenance facilitée.
5. Conclusion
Les programmes de recherches et de développement dépendent
directement du marché qui tarde à se développer, vu les investissements engagés. Des progrès dans les domaines de la recherche de
nouveaux couples de batteries (Ni-MH et Li-ion), de nouvelles lois
de charges, de nouvelles structures électroniques simplifiées et
encore plus performantes apparaissent.
Les structures des chargeurs sont en pleine évolution et dépendent directement des progrès réalisés et à venir au niveau des batteries, des composants électroniques et de leurs solutions au niveau
thermique, pour offrir une architecture répondant à la fois au critère
d’optimisation économique, mais aussi technique. Des solutions
plus compactes et plus performantes sont proposées, dans un souci
d’homogénéisation de la charge, en prenant compte de plus en plus
de paramètres au niveau de la « gestion intelligente » de la batterie,
mais surtout en « s’intéressant » depuis peu à la décharge de la batterie.
■ Ce chargeur de batterie comprend un régulateur à découpage
commun et des « sous-régulateurs » à découpage individuels associés à chaque élément et couplés au régulateur commun par des
enroulements secondaires respectifs. La figure 25 en donne le
schéma synoptique.
Nous voyons que la structure modulaire permet d’adapter le chargeur au nombre de blocs de la batterie. Cette solution efficace est
pourtant coûteuse même si la puissance de chaque chargeur reste
réduite. La somme des puissances de tous les chargeurs individuels
ne doit pas dépasser la puissance disponible au réseau. Précisons
aussi que le temps de charge de l’ensemble, c’est-à-dire de la batterie complète est égal au temps de l’élément le plus lent.
■ Cette solution technique particulière possède les avantages
suivants :
— laisse du coût de production en multipliant le nombre de minichargeurs modulaires ;
— réduction du temps global de charge de la batterie ;
— augmentation de la durée de vie de la batterie ;
— maintenabilité plus facile : changement aisé d’un élément
défectueux.
■ Nous donnons pour terminer une version améliorée du concept
précédent (figure 26) où le circuit magnétique est décomposé en
CHARGEURS DE BATTERIES
Module primaire commun
Régulateur secondaire
Bobinage
primaire
commun
Bobinage
secondaire
Tore magnétique
Figure 26 – Chargeur multisorties : version améliorée
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