Un chargeur de batterie au plomb, à énergie solaire
A quoi ça sert ?
A
maintenir une batterie à sa charge maximum, évitant une mise ‘à plat’ à cause
d’équipements électroniques branchés en permanence dessus (alarme, pendulette,
chargeur de batterie de caméscope en camping…) ou à son autodécharge naturelle.
Mais
la condition est que la lumière soit suffisante pour permettre au panneau
solaire de générer assez de puissance pour permettre la charge, donc les voitures dormant au noir dans les
garages , n’ont d’autre solution que de remplacer le panneau solaire par une
petite alimentation non régulée que l’on trouve à bas prix au supermarché du
coin et donnée pour 12V mais délivrant environ 18V à vide.
Il
faut dans ce cas avoir le secteur 220V dans son garage.
De plus, tant qu’on y est autant ajouter une
sortie remplaçant celle de l’allume cigare et la coupant lorsque la tension
batterie est faible, de manière à empêcher une décharge profonde de celle ci,
ainsi qu’un multimètre indiquant la tension et le courant de cette batterie.
Principe de charge
Pour
charger une batterie on peut :
1)
Mode permanent : Appliquer une tension permanente de 13.8V grand maximum (13.6V
conseillé), car c’est le début de dégagement gazeux, , à l’aide d’un simple
régulateur de tension, mais la batterie dans ce cas n’est pas chargée à 100%
(env 80%).
2)
Mode BOOST : On charge avec un courant fort (maximum 1/3 de la capacité de
la batterie) et on arrête la charge quand la tension atteint 14.4V. La charge
est a 100%. Ceci est possible uniquement car le cycle est très rapide, 4 hrs ou
5 hrs max.
3)
Mode entretien : Charger jusqu’à ce que
la tension atteigne un peu plus que le début de dégagement gazeux, soit 14.0V
et arrêter la charge qui sera proche de 90% à ce moment là. Et quand la tension
redescend en dessous de 13V la charge reprend. Ce mode semi-boost est utilisé
quand le courant de charge ne peut être élevé. Atteindre la tension de 14.4V
prendrait trop de temps et le dégagement gazeux serait trop important.
C’est ce principe qui est retenu ici.
ATTENTION : Le dégagement gazeux
fait s’évaporer le liquide de la batterie. A courte durée c’est pas grave la
quantité est faible, mais si c’est plus long , cela peut engendrer un manque de
liquide et donc une batterie qui n’a plus toute sa capacité et qui vieillit
plus vite.
Ne
faire le plein de la batterie qu’avec de l’eau distillée. Toute autre
eau contient des impuretés qui mettent les éléments internes en court circuit
et la batterie est morte très rapidement .
Le montage électronique
Explications du montage
Pour commencer, il faut savoir que ce montage
étant prévu pour charger une batterie au plomb de 12V à partir d’un panneau
solaire, sa consommation a été étudiée pour être la plus faible possible. En
effet ce serait dommage de perdre durant la nuit, en alimentation de ce
montage, l’énergie accumulée par une
journée ensoleillée. En pratique l’ensemble consomme 2.5mA (voir même 2mA avec
un bon régulateur, voir explication plus bas).
En bleu foncé : la référence de
tension.
Le LM385Z2.5 délivre une tension stable de 2.5V avec seulement 30µA de courant d’alimentation. La tension batterie sera comparée à cette référence pour savoir l’action à mener.
En jaune : circuit contrôle
de charge
Ce comparateur à hystérésis bloque la charge si la tension de la
batterie est supérieure à 14V et déclenche la charge si cette tension est
inférieure à 13V. L’ampli op est le TL062 qui a une faible consommation de 200µA
par circuit.
En orange : circuit contrôle
de décharge
Ce deuxième comparateur bloque la sortie ‘type
allume cigare’ si la tension batterie est inférieure à 11V. Ceci empêche la
décharge profonde. Cette sortie est réactivée pour une tension batterie
supérieure à 12.5V soit une batterie moyennement chargée.
En violet : La commande de puissance
Les transistors de commande. De type MOSFET ces
transistors sont passant lorsque leur tension entre les broches ‘source’ et
‘gate’ est supérieure à 4V ce qui est le cas quand la sortie des AOP est au niveau
bas. Les résistances sont ici pour éviter une surtension, car la tension ‘SG’
ne doit pas dépasser 20V ce qui peut arriver avec une tension du panneau
solaire à vide de charge de 22V.
Avec ces résistances, la tension en entrée peut
monter à 27V ce qui laisse de la marge.
En rouge :
Les diodes 4148 permettent d’alimenter le
montage prioritairement par le panneau solaire, tandis que la diode MBR1545CT
est une diode anti-retour évitant la décharge de la batterie dans le panneau
solaire en l’absence de soleil. Cette diode a une chute de tension très faible
permettant de pas perdre de puissance inutilement.
La LED est utile uniquement au moment de la
mise au point après on peut l’enlever car elle consomme 1mA inutilement. En
effet le multimètre renseigne à tout moment sur l’état de la charge.
La zener 25V (24V en fait) et la capa de 100µF
servent à filtrer les éventuels parasites.
C’est pas du filtrage haut de gamme mais mieux que rien.
En vert : le multimètre
Le circuit de mesure très pratique pour connaître à tout moment la tension de la batterie ou le courant entrant ou sortant de la batterie.
Basé sur un module LCD de mesure ‘tout fait’ et
basse consommation (1mA) à base d’ICL7106 cette partie à nécessité quelques
adaptations. En effet la partie mesure de ce module possède une référence
interne qui est de 3V sous sa tension d’alim, soit de 5.5V pour une alim de
8.5V.
Cette référence haute permet de mesurer des
tensions négatives , ce qui est indispensable pour la mesure du courant qui
peut être positif ou négatif selon qu’il entre dans la batterie ou qu’il en
sorte.
L’ampli OP TL061 basse consommation (200µA) est
un sommateur qui fait la somme entre cette tension de référence venant de la
broche ‘entrée moins’ du module LCD et la tension à mesurer. Cette tension à
mesurer doit être de +-200mVpour obtenir la pleine échelle soit +-1999 à
l’écran du module (modèle 3 1/2 digit).
En prenant 1/10 (1K et 100K // 2*3.3M ) de la tension de batterie on peut donc
mesurer jusqu'à 20V. Le commutateur permettant de passer de mode courant à mode
tension fait afficher un point décimal en mode tension donc la tension sera
affichée comme ça : 13.65
Le courant est mesuré grâce a la résistance de
0.1 Ohm qui permet pour obtenir la pleine échelle de 200mV de mesurer un
courant de 2A. Comme il n’y a pas de point décimal pour un courant sortant de 1325mA par ex on aura à l’écran :
-1325
Ce module LCD de mesure fonctionne pour une
tension d’alim comprise entre 8V et 15V. Mais il n’est pas possible de le faire
fonctionner directement sur la batterie car le sommateur nécessite un réglage
de ‘point zéro’ qui ajuste la précision des résistances de sommation et corrige
l’offset en sortie de l’AOP.
Le fait de faire varier la tension d’alim du
module LCD fait varier la tension de référence et modifie donc le zéro et
entraîne une erreur de mesure. Le module LCD est donc alimenté avec un
régulateur de tension de type LM317L ajusté pour délivrer 8.5V.
Ce régulateur classique nécessite peu de
courant (50µA) pour fonctionner comparativement au régulateur de type
LM7809 qui nécessitent 6mA. Sa
régulation en sortie est efficace si la tension d’entrée est supérieure à la
sortie de 1.5V ce qui permet de mesurer sans erreur la batterie jusqu'à 10V. en
dessous ce n’est plus aussi précis.
La sortie de ce régulateur est régulée si le
courant consommé est supérieur à 1.5 mA pour la plupart des fabricants de ce
circuit. Seul ST fait un LM317L qui
régule pour un courant de sortie aussi faible que 0.5mA, bravo !. Donc si le
régulateur n’est pas de cette marque, il faut ajouter une résistance de 15K en sortie pour
consommer les 500µA qui manquent, dommage ça représente une surconsommation
inutile de 25% !!! du montage complet (2.5mA au lieu de 2.0mA).
La réalisation
Il est conseillé de prendre des résistances à
1% pour les comparateurs et la partie mesure.
Ce n’est pas obligatoire, il suffit de mesurer
les résistances pour vérifier leurs valeurs et prendre celles se rapprochant au
mieux de la valeur théorique, j’ai procédé ainsi pour me débarrasser de mes
fonds de tiroirs, et ça marche très bien.
Pour la résistance d’environ 44K nécessaire au
premier comparateur, il a été prévu 2 emplacements pour permettre la mise en
parallèle de 2 résistances de 47K et 1M.
Pour ajuster les niveaux de départ et d’arrêt
de charge (à cause des écarts de valeurs de résistances), il est conseillé de
mettre la résistance parallèle sur
picots type ‘support de ci’ . Ainsi on peut mettre des résistances sans les
souder et vérifier les niveaux de commutation. Une fois la bonne valeur trouvée
, on peut la souder directement sur les picots ( 820K dans mon cas ).
Un potentiomètre n’a pas été utilisé car la
tenue dans le temps est médiocre, surtout en voiture ou les vibrations sont
très présentes.
Le potentiomètre utilisé pour la partie mesure
, n’engendrera que des erreurs de mesures s’il vient à défaillir, de plus son
état peut être contrôlé à tout moment en vérifiant le zéro de courant de
l’ampèremètre.
La dérive en température : prenons comme base de départ
une modification de température de 30°C. les résistances à 5% ont une dérive de
200ppm/°C environ et c’est là qu’est tout le problème. Si toutes
les résistances avaient la même dérive, elles varieraient de la même proportion
et les ponts diviseurs garderaient les mêmes rapports. Mais en fait, par
exemple, une résistance aura une dérive
de 220ppm/°c et sa voisine de 180ppm/°c. Cet écart de 40ppm/°C pour 30°C génère
donc une dérive de 1200ppm ce qui correspond à 0.12%.
Sur une tension d’environ 6V en point milieu de
pont diviseur, cela représente 7mV d’écart. Négligeable pour ce qui est des
seuils de départ/fin de charge.
Mais pour la partie multimètre, c’est autre
chose : le pont diviseur est à environ 3V , donc la dérive de 0.12% génère
un écart de 4mV ce qui à l’affichage correspond à 40 unités (2000 points pour
200mV pleine échelle) . Désastreux ! j’en ai fait l’expérience en plus violent
(20°C donnait 80 unités d’écart).
C’est pourquoi je recommande vivement de
prendre des résistances à 1% ou mieux pour les deux résistances du pont
diviseur de la partie multimètre (3M) et de l’amplification (470K) . La dérive
‘standard’ des modèles 1% n’est plus que de 50ppm/°C soit 4 fois moins. Je n’ai
trouvé que des valeurs de 1.5M en 1%, mais c’est pas grave. J’ai gagné un
rapport 8 dans la dérive en température qui reste maintenant acceptable (1
unité à l’affichage pour 2°C de dérive). De plus ça me sert de
thermomètre : Si l’afficheur indique à vide –18 (au lieu de –3) c’est donc
une baisse de température de 2*15=30° donc il fait -5°C de température (réglage
initiale à +25°C).
Astucieux non ?
Le circuit imprimé et le schéma
d’implantation :
Pour réaliser le circuit imprimé, si on veut
pas s’embêter, voici une bonne adresse, rapide, tarif pas cher et bon
boulot :
http://etronics.free.fr/boutique/boutique.htm
Absolument aucune difficulté dans la
réalisation. Il faut juste augmenter l ‘épaisseur des pistes parcourues
par des courants forts comme celles servant à la charge et en sortie. Ces
pistes à épaissir sont indiquées sur le schéma d’implantation en étant plus
foncées.
Le potentiomètre sera un modèle multitours à
piste cermet si possible.
L’interrupteur à double circuit permettant de
passer du mode mesure tension au mode mesure courant sera câblé comme
suit :
----------
| 1
2 3 |
| 4
5 6 |
----------
Les contacts 5 et 6 permettent de faire
afficher le point sur le LCD (voir photos
pour plus de détails).
La mise en boîtier est à l’imagination de
chacun. J’ai choisi la solution permettant de mettre tout l’ensemble dans le boîtier
après le câblage complet. Ceci est pratique pour un éventuel démontage de
l’ensemble, sans avoir à recourir au fer à souder.
Le boîtier que j’ai choisi, avec ses 50mm de
hauteur se coince impeccablement dans l’emplacement libre de l’autoradio et est
donc à proximité de la prise allume cigare.
Calibrage : brancher une alim variable
réglée vers 13V sur l’entrée batterie (bat)
en respectant bien la polarité.
Mettre l’afficheur LCD en mode ampèremètre avec
l’interrupteur et tourner le
potentiomètre multitours pour obtenir –003
à l’affichage. Cela correspond à la consommation du montage. Mettre ensuite
l’afficheur en mode voltmètre et tourner le potentiomètre au dos de l’afficheur
LCD pour obtenir à l’affichage, la
tension correspondante à votre alim. C’est tout c’est fini !
Brancher ensuite la led et vérifier en faisant varier la tension d’alim, les seuils de départ et d’arrêt de charge.
La tension d’entrée, est à brancher sur les
broches EXT+ et EXT- . panneau solaire ou alimentation CC
exemple : 15V/500mA.
La batterie est à brancher sur les broches BAT+
et BAT - .
La sortie type allume cigare est à brancher sur
les broches OUT+ et OUT- . attention le courant ne doit pas dépasser 2A sur cette
sortie. Il est judicieux de brancher un fusible sur cette sortie.
Après tout ces efforts, le montage est prêt à
être utilisé :
Mon chargeur d’accus très pratique en camping,
consomme à vide 40mA. A débrancher une fois les accus chargés !!.
Lors d’une charge de trois accus, (deux R06 de
1850mA et un R03 de 900mA) la conso grimpe à plus de 600mA.
Avec un panneau solaire, l’ensemble permet
des vacances sans soucis pour ce qui est de l’autonomie électrique.
Chacun utilise ce montage comme bon lui semble, sauf industrialisation , je décline toute responsabilité concernant sa réalisation et son utilisation.