CH707569A2

CH707569A2 - Device for controlling power transmitted by power source e.g. lithium-ion-battery for charging cell phone, has feedback terminal connected with terminal of amplifier, where voltage at feedback terminal is equal to reference voltage

Info

Publication number: CH707569A2
Application number: CH00463/13A
Authority: CH
Inventors: Crist Andri Hassler
Original assignee: Fond Antenna Technologies
Priority date: 2013-02-15
Filing date: 2013-02-15
Publication date: 2014-08-15

Abstract

L’invention présentée décrit un dispositif compact et portable permettant de réguler la puissance transmise par une source d’énergie électrique dont les caractéristiques tension/courant fluctuent en fonction de conditions extérieures, en particulier de type photovoltaïque (1), pour l’optimisation du chargement d’une batterie (2). La configuration particulière d’un convertisseur DC/DC (3) abaisseur à découpage permet un contrôle direct de la tension de sortie de la source. Un capteur de courant (20) à l’entrée de la batterie permet de détecter une variation immédiate de puissance. Un contrôleur (22), modifiant la tension de sortie de la source et mesurant les variations de puissance associées, permet la mise en place d’un algorithme de recherche du point de puissance maximum (Maximum Power Point Tracking). On peut s’assurer ainsi que la puissance optimale est transmise de la source à la batterie (2) quelque soit les conditions extérieures, particulièrement d’ensoleillement et de température. L’invention concerne aussi une méthode de recherche du point de puissance instantanée maximum de la source d’énergie basée sur le dispositif décrit ci-dessus.The invention described describes a compact and portable device for regulating the power transmitted by a source of electrical energy whose voltage / current characteristics fluctuate as a function of external conditions, in particular of the photovoltaic type (1), for the optimization of charging a battery (2). The particular configuration of a switching DC / DC converter (3) allows a direct control of the output voltage of the source. A current sensor (20) at the input of the battery makes it possible to detect an immediate power variation. A controller (22), modifying the output voltage of the source and measuring the associated power variations, allows the implementation of a maximum power point tracking algorithm. It can be ensured that the optimum power is transmitted from the source to the battery (2) whatever the external conditions, particularly sunlight and temperature. The invention also relates to a method of finding the point of maximum instantaneous power of the energy source based on the device described above.

Description

Domaine TechniqueTechnical area

[0001] L’invention présentée concerne le domaine de l’optimisation du chargement d’une batterie à partir d’une source d’énergie électrique, plus particulièrement la catégorie des dispositifs d’acquisition d’énergie solaire portables munis d’une batterie, servant de source d’énergie d’appoint ou principale pour les personnes ayant un accès limité ou inexistant à un réseau électrique fixe. Elle présente l’implémentation d’une configuration particulière d’un convertisseur DC/DC pour l’adaptation en temps réelle de la tension de sortie d’une cellule ou d’un panneau photovoltaïque solaire dont la puissance de sortie fluctue en fonction de la tension de sortie, de l’ensoleillement et de la température. Cette invention permet l’implémentation d’une méthode de recherche du point de puissance maximal de la source photovoltaïque pour l’obtention d’un courant de chargement optimal dans la batterie au fil des variations de conditions externes. The invention presented relates to the field of optimizing the charging of a battery from a source of electrical energy, more particularly the category of portable solar energy acquisition devices with a battery , serving as a backup or main source of energy for people with limited or no access to a fixed electricity grid. It presents the implementation of a particular configuration of a DC / DC converter for the real-time adaptation of the output voltage of a solar cell or solar panel whose output power fluctuates according to the output voltage, sunshine and temperature. This invention allows the implementation of a method of finding the maximum power point of the photovoltaic source to obtain an optimum charging current in the battery as external conditions change.

Etat de la techniqueState of the art

[0002] Un aspect important, lorsque l’on veut générer de l’électricité à partir de cellules photovoltaïques de la façon la plus optimale possible, est de maximiser la puissance (P) délivrée par ces dernières. Comme montré dans la fig. 1 , le rapport Tension (V) Courant (I) de l’électricité générée par un panneau photovoltaïque est non linéaire, la courbe de puissance (P) résultante possède un maxima (Pmax) à laquelle sont associées la tension optimale (Vpmax) et le courant optimal (Ipmax) correspondants. Les courbes I-V, P-V, et les valeurs de Pmax, Vpmax et Ipmax varient en fonction de facteurs externes tels que l’intensité du rayonnement solaire illuminant le panneau Photovoltaïques, le vieillissement de ce dernier et la température. La source d’électricité photovoltaïque peut être vue comme une source de tension idéale en série avec une résistance variant en fonction des paramètres externes, que l’on appellera résistance interne (Ri). La puissance de sortie est maximale lorsque la charge «vue» aux bornes de la ou des cellules a une résistance égale à Ri. An important aspect, when we want to generate electricity from photovoltaic cells in the most optimal way possible, is to maximize the power (P) delivered by them. As shown in fig. 1, the ratio Voltage (V) Current (I) of the electricity generated by a photovoltaic panel is nonlinear, the resultant power curve (P) has a maxima (Pmax) to which the optimum voltage (Vpmax) is associated and the optimum current (Ipmax) corresponding. The curves I-V, P-V, and the values of Pmax, Vpmax and Ipmax vary according to external factors such as the intensity of the solar radiation illuminating the Photovoltaic panel, the aging of the latter and the temperature. The photovoltaic electricity source can be seen as an ideal voltage source in series with a resistance varying according to the external parameters, which will be called internal resistance (Ri). The output power is maximum when the load "seen" across the cell or cells has a resistance equal to Ri.

[0003] Différentes techniques, définies d’une façon générale en anglais par la dénomination Maximum Power Point Tracking (MPPT), ont été élaborées pour la recherche du point de puissance maximum Pmax, et pour le suivi de ses variations en temps réel. [0003] Different techniques, generally defined in English by the name Maximum Power Point Tracking (MPPT), have been developed for searching the maximum power point Pmax, and for monitoring its variations in real time.

[0004] Certaines techniques dites «à Voltage constant» impliquent de mesurer périodiquement la tension à vide aux bornes d’une source d’électricité photovoltaïque et d’en déduire Vpmax en multipliant cette tension par un ratio prédéfini. Outre une certaine imprécision, l’inconvénient majeur de cette méthode est que l’alimentation en électricité de la charge par le panneau solaire doit être coupée au moment d’effectuer la mesure de tension à vide. Ces coupures cycliques diminuent le rendement de l’installation. Some so-called "constant voltage" techniques involve periodically measuring the no-load voltage at the terminals of a photovoltaic power source and deducing Vpmax by multiplying this voltage by a predefined ratio. In addition to a certain inaccuracy, the major disadvantage of this method is that the power supply of the load by the solar panel must be cut when performing the measurement of the no-load voltage. These cyclic cuts reduce the efficiency of the installation.

[0005] Les méthodes dites «perturber et observer» consistent à modifier légèrement le voltage de sortie (ou le courant de sortie) de la source photovoltaïque et à mesurer l’évolution de la puissance de sortie. Si la puissance augmente, alors le voltage (ou le courant) continue à être ajusté dans la même direction (respectivement augmenté ou diminué). Si la puissance diminue, l’ajustement inverse est effectué (respectivement diminué ou augmenté). Selon cette méthode, la source peut fournir du courant en continu. Si l’algorithme est effectué de façon suffisamment rapide alors la puissance transmise par la source photovoltaïque est proche de l’optimal. The so-called "disturbing and observing" methods consist in slightly modifying the output voltage (or the output current) of the photovoltaic source and measuring the evolution of the output power. If the power increases, then the voltage (or current) continues to be adjusted in the same direction (respectively increased or decreased). If the power decreases, the reverse adjustment is made (respectively decreased or increased). According to this method, the source can supply current continuously. If the algorithm is performed quickly enough then the power transmitted by the photovoltaic source is close to optimal.

[0006] Un dispositif commun et efficace pour implémenter une méthode MPPT inclut un convertisseur DC/DC entre la source photovoltaïque et la charge, régulant le rapport entre les voltages de telle sorte que la charge équivalente que la source photovoltaïque perçoit à ses bornes soit égale à sa résistance interne, au fil des fluctuations de cette dernière, maximisant donc la puissance électrique que la source photovoltaïque va transmettre à la charge. [0006] A common and efficient device for implementing a MPPT method includes a DC / DC converter between the photovoltaic source and the load, regulating the ratio between the voltages so that the equivalent load that the photovoltaic source perceives at its terminals is equal to its internal resistance, over the fluctuations of the latter, thus maximizing the electrical power that the photovoltaic source will transmit to the load.

[0007] La méthode MPPT ayant comme but intrinsèque une optimisation du rendement électrique, les dispositifs les plus performants incluent un convertisseur DC/DC à découpage, dont le rendement oscille autour de 90 % (contre 40-50 % pour les régulateurs linéaires). Ces convertisseurs ont la caractéristique d’ouvrir et refermer à très haute fréquence un interrupteur (par exemple un transistor MOS) entre la tension d’entrée et celle de sortie, une partie de cette énergie étant stockée dans une inductance en sortie lorsque l’interrupteur conduit, et la dite inductance alimentant la sortie lors des phases où l’interrupteur ne conduit plus. L’interrupteur est contrôlé par un signal à modulation de largeur d’impulsion (MLI, «PWM» en anglais pour Puise Width Modulation) et le rapport entre les tensions d’entrée et sortie dépend dès lors directement du rapport cyclique de ce signal. The MPPT method whose intrinsic goal optimization of electrical efficiency, the most powerful devices include a switching DC / DC converter, the performance of which oscillates around 90% (against 40-50% for linear regulators). These converters have the characteristic of opening and closing at a very high frequency a switch (for example a MOS transistor) between the input voltage and the output voltage, a portion of this energy being stored in an output inductor when the switch led, and said inductor supplying the output during phases where the switch no longer leads. The switch is controlled by a Pulse Width Modulation (PWM) signal and the ratio between the input and output voltages therefore directly depends on the duty cycle of this signal.

[0008] Dans la majorité des dispositifs existants pour l’acquisition optimale d’énergie solaire, dont celui de Stamenic et. al. (brevet US 6 690 590), le voltage à la sortie de la source électrique, et donc à l’entrée du convertisseur, n’est pas contrôlable directement, mais régulé en agissant sur la valeur du rapport cyclique du MLI, valeur qui est générée numériquement. La puissance est mesurée à l’entrée ou la sortie du convertisseur, opération nécessitant au minimum deux capteurs (tension, courant). Un algorithme MPPT est mis en place, l’ajustement de la tension d’entrée se faisant dans le sens qui augmente la puissance de sortie de la source électrique photovoltaïque. Dans le cas particulier du chargement d’une batterie, dont la tension d’entrée est stable, il est possible de ne mesurer que le courant à la sortie du convertisseur pour en déduire la puissance. Un capteur de tension à la sortie de la source électrique photovoltaïque reste néanmoins nécessaire si l’on désire s’assurer que la tension aux bornes de cette dernière reste dans un intervalle désiré. In the majority of existing devices for the optimal acquisition of solar energy, including that of Stamenic and. al. (US Pat. No. 6,690,590), the voltage at the output of the electrical source, and therefore at the input of the converter, is not controllable directly, but regulated by acting on the value of the duty cycle of the PWM, which value is digitally generated. The power is measured at the input or output of the converter, an operation requiring at least two sensors (voltage, current). An MPPT algorithm is set up, the adjustment of the input voltage being in the direction that increases the power output of the photovoltaic power source. In the particular case of charging a battery, whose input voltage is stable, it is possible to measure only the current at the output of the converter to deduce the power. A voltage sensor at the output of the photovoltaic electrical source is nevertheless necessary if one wishes to ensure that the voltage at the terminals of the latter remains in a desired range.

[0009] Le dispositif proposé par Park pour l’implémentation d’un MPPT (brevet WO2007/129 808) cherche à s’affranchir au maximum de capteurs et convertisseurs A/D. La charge en sortie du convertisseur DC/DC étant constante, une augmentation de courant à la sortie du dit convertisseur DC / DC entre deux mesures traduit une augmentation de puissance, et vice-versa. Dans l’algorithme MPPT associé, la valeur du rapport cyclique du MLI est ajustée dans le sens qui engendre une augmentation immédiate de puissance. Ce dispositif est relativement efficace pour une source photovoltaïque subissant peu de perturbations. Le capteur de tension de sortie du panneau solaire est supprimé, simplifiant la construction hardware. En contrepartie, il n’est plus possible de garantir que la tension de sortie de la source électrique reste dans un intervalle déterminé. Ceci devient particulièrement problématique dans le cas où l’on désirerait charger une batterie placée à la sortie du convertisseur: lors d’un courant nul à la sortie du convertisseur, il n’est pas toujours possible de savoir si cet effet est dû au fait que la tension aux bornes de la source électrique est trop faible (plus faible que la tension aux bornes de la batterie) ou au contraire trop élevée (la source électrique ne peut plus fournir de courant). The device proposed by Park for the implementation of a MPPT (patent WO2007 / 129808) seeks to overcome the maximum of sensors and A / D converters. Since the output load of the DC / DC converter is constant, an increase in current at the output of said DC / DC converter between two measurements indicates an increase in power, and vice versa. In the associated MPPT algorithm, the value of the PWM duty cycle is adjusted in the direction that generates an immediate increase in power. This device is relatively effective for a photovoltaic source experiencing little disturbance. The output voltage sensor of the solar panel is removed, simplifying the hardware construction. In return, it is no longer possible to guarantee that the output voltage of the electrical source remains in a determined interval. This becomes particularly problematic in the case where one would like to charge a battery placed at the output of the converter: at a zero current at the output of the converter, it is not always possible to know if this effect is due to the fact that the voltage across the power source is too low (lower than the voltage across the battery) or too high (the power source can no longer supply power).

[0010] Ces différents dispositifs, régulant les tensions d’entrée/sortie du convertisseur DC/DC en agissant sur le rapport cyclique du signal MLI contrôlant l’ouverture/fermeture de l’interrupteur interne du dit convertisseur DC/DC, ont comme désavantage supplémentaire de nécessiter l’inclusion d’un générateur de signal MLI contrôlé numériquement. These devices, regulating the input / output voltages of the DC / DC converter by acting on the duty cycle of the PWM signal controlling the opening / closing of the internal switch of said DC / DC converter, have as disadvantage additional requirement to include a digitally controlled PWM signal generator.

Exposé de l’inventionPresentation of the invention

Problème à résoudreProblem to solve

[0011] Cette invention a vu le jour durant la réalisation d’un dispositif d’accumulation d’énergie portable destiné à assurer les besoin électriques de population ayant un accès limité ou inexistant à un réseau électrique. Il est destiné à servir, suivant les cas, de source d’énergie principale, ou de source d’énergie d’appoint, principalement pour assurer l’éclairage la nuit et la recharge de téléphones portables. Le dispositif, sur lequel peut être branché une source électrique, principalement un panneau photovoltaïque, est muni d’une batterie et intègre directement en son sein, sur un PCB, un dispositif permettant l’implémentation d’une méthode d’optimisation de la puissance transmise par la dite source électrique à la dite batterie, de type MPPT. Pour réaliser un dispositif d’acquisition d’énergie solaire de ce type, compacte, léger et bon marché, il faut utiliser des composants compacts et le plus simple possible. En règle générale, plus l’inductance L utilisée dans le convertisseur Buck est petite, plus la fréquence de commutation f du MLI doit être grande pour assurer le bon fonctionnement de la conversion DC/DC. Pour une tension de sortie Vo, la fréquence minimum doit être de l’ordre de grandeur: f > Vo/L Pour une application tenant dans un dispositif portable typiquement, aux bornes d’une batterie Li-Ion à 3.7 [V], la vitesse de commutation nécessaire dépasse les 100 KHz. Dans le cas où l’on utilise un circuit numérique 8 bits pour la génération du MLI, la fréquence minimum requise est 25.6 MHz, soit une instruction toutes les 40 nanosecondes, ce qui devient impossible à gérer par exemple pour un microcontrôleur standard dévolu à d’autres tâches en parallèle. D’un autre côté, une inductance de taille supérieure peut générer des perturbations électromagnétiques conséquentes sur les circuits environnants et en menacer le fonctionnement correct. C’est pourquoi les solutions disponibles dans l’état de la technique, et présentées préalablement dans ce document, ne peuvent satisfaire convenablement le besoin énoncé. This invention was born during the realization of a portable energy storage device for ensuring the electrical needs of the population having limited or no access to an electrical network. It is intended to serve, as the case may be, as a main source of energy, or as an auxiliary source of energy, mainly for lighting at night and recharging mobile phones. The device, on which can be connected an electrical source, mainly a photovoltaic panel, is provided with a battery and directly integrates therein, on a PCB, a device for implementing a method of optimizing the power transmitted by said power source to said battery, type MPPT. To achieve a device for acquiring solar energy of this type, compact, lightweight and cheap, it is necessary to use compact components and the simplest possible. In general, the smaller the L inductor used in the Buck converter, the greater the PWM f switching frequency must be to ensure proper DC / DC conversion. For an output voltage Vo, the minimum frequency must be of the order of magnitude: f> Vo / L For an application holding in a portable device typically, at the terminals of a Li-Ion battery at 3.7 [V], the necessary switching speed exceeds 100 KHz. In the case where an 8-bit digital circuit is used for the generation of PWM, the minimum required frequency is 25.6 MHz, ie an instruction every 40 nanoseconds, which becomes impossible to manage for example for a standard microcontroller devolved to other tasks in parallel. On the other hand, a larger inductance can generate significant electromagnetic disturbances on the surrounding circuits and threaten the correct operation. Therefore, the solutions available in the state of the art, and previously presented in this document, can not adequately meet the stated need.

Solution proposéeProposed solution

[0012] Usuellement, il y a ainsi un avantage certain, dans une application embarquée, à générer le signal MLI de façon analogique. Celui-ci est obtenu grâce à une boucle de retour (feedback), en série avec un modulateur. Certains convertisseurs Buck intègrent directement un tel feedback, qui est habituellement utilisé pour réguler la tension de sortie du convertisseur, de telle sorte que si la tension de sortie, et donc également la tension de feedback, augmentent au-dessus de la référence associée au feedback, le rapport cyclique diminue, ce qui a pour effet de diminuer la tension de sortie et la ramener au point d’équilibre. Inversement si la tension de sortie diminue, l’effet de feedback tend à la rehausser. Cet effet stabilise de ce fait la sortie à la tension pour laquelle la tension de feedback est égale à la référence. [0012] Usually, there is thus a certain advantage, in an embedded application, in generating the PWM signal analogically. This is achieved through a feedback loop, in series with a modulator. Some Buck converters directly integrate such feedback, which is usually used to regulate the output voltage of the converter, so that if the output voltage, and thus also the feedback voltage, increases above the reference associated with the feedback , the duty cycle decreases, which has the effect of reducing the output voltage and bring it back to the point of equilibrium. Conversely, if the output voltage decreases, the feedback effect tends to enhance it. This effect thus stabilizes the output at the voltage for which the feedback voltage is equal to the reference.

[0013] Crée pour résoudre les différents problèmes posés par les dispositifs disponibles dans l’état de la technique, l’invention présentée propose une configuration particulière d’un convertisseur DC/DC abaisseur de tension à découpage, incluant un feedback contrôlant le signal MLI, permettant de réguler non pas la tension de sortie du convertisseur, mais sa tension d’entrée. Ce contrôle est utilisé pour l’implémentation d’un algorithme MPPT dans un dispositif d’acquisition d’énergie compact, léger et bon marché. [0013] Created to solve the various problems posed by the devices available in the state of the art, the presented invention proposes a particular configuration of a DC / DC switching voltage converter, including a feedback controlling the PWM signal. , to regulate not the output voltage of the converter, but its input voltage. This control is used for the implementation of an MPPT algorithm in a compact, lightweight and inexpensive energy acquisition device.

[0014] Le dispositif selon l’invention est caractérisé par la clause caractérisante de la revendication 1. The device according to the invention is characterized by the characterizing clause of claim 1.

[0015] Un dispositif composé: – d’une source d’électricité délivrant un signal défini par une puissance, une tension et un courant analogiques, pour laquelle la tension diminue avec l’augmentation du courant et dont la tension de sortie doit être régulée pour l’obtention d’une puissance de sortie optimale. Plus particulièrement et selon l’objectif premier du dispositif présenté, une cellule ou un panneau photovoltaïque exposé au soleil. – d’une batterie rechargeable – d’un convertisseur DC-DC abaisseur de tension à découpage, également appelé convertisseur de type Buck, dont l’entrée est connectée à la sortie de la dite source électrique, et dont la sortie est connectée à l’entrée de la dite batterie, le dit convertisseur comportant une borne de feedback pour la régulation analogique du rapport cyclique du MLI, dont la tension de référence vaut Vf, à savoir que la dite tension de référence est connectée à la borne positive d’un amplificateur opérationnel, la borne de feedback étant constituée de la borne négative du dit amplificateur opérationnel, et la sortie du dit amplificateur opérationnel étant connectée à l’entrée d’un modulateur générant le signal MLI, de telle sorte que le rapport cyclique augmente proportionnellement avec la tension en sortie du dit amplificateur opérationnel. – d’un point de potentiel fixe réglable à forte impédance d’entrée, de tension Vr. Celui-ci peut par exemple être généré à partir d’un signal numérique, connecté à un convertisseur D/A lui-même connecté à la borne positive d’un deuxième amplificateur opérationnel en contre-réaction. Le dit point de potentiel fixe réglable est alors constitué par la borne négative du dit deuxième amplificateur opérationnel et la valeur de sa tension est égale à celle du dit signal numérique. – d’une ou plusieurs résistances entre le dit point de potentiel fixe réglable et la sortie de la dite source d’électricité, d’impédance résultante Ri – d’une ou plusieurs résistances entres le dit point de potentiel fixe réglable et la borne de feedback du dit convertisseur, d’impédance résultant Rf – d’un collecteur de courant à impédance négligeable, lié à la borne de feedback directement ou via une ou plusieurs résistances, permettant la circulation d’un courant depuis la sortie de la dite source d’électricité à travers la dite résistance Ri, le dit point de potentiel fixe réglable et la dite résistance Rf, la fonction du dit collecteur de courant pouvant être assurée par la sortie du dit deuxième amplificateur opérationnel, de telle sorte qu’une augmentation de la tension à la sortie de la dite source d’électricité générera une baisse de tension à la borne feedback du dit convertisseur, donc une augmentation du rapport cyclique du MLI et, sachant que la tension en sortie du convertisseur et donc aux bornes de la batterie est stable dans le temps, cet effet engendrera une augmentation du courant traversant le dit convertisseur DC/DC et par conséquent une diminution de la tension à la sortie de la dite source d’électricité. Inversement une diminution de la tension à la sortie de la dite source d’électricité générera une augmentation de tension à la borne feedback, donc une diminution du rapport cyclique du MLI, une diminution de courant dans le dit convertisseur DC/DC et par conséquent une augmentation de la tension à la sortie de la dite source d’électricité. Par cet effet, la régulation est garantie, la tension à la borne de feedback tend à se stabiliser à la valeur de la dite tension de référence Vf, la tension Vi à la sortie de la source électrique est dès lors stable et dépend linéairement de la tension réglable Vr, selon le rapport: Vi = Vr*(1 + Ri/Rf) – Vf (Ri/Rf). A compound device: An electricity source delivering a signal defined by a power, an analog voltage and a current, for which the voltage decreases with the increase of the current and whose output voltage has to be regulated in order to obtain a optimal output power. More particularly and according to the primary objective of the device presented, a photovoltaic cell or panel exposed to the sun. - a rechargeable battery A DC-DC switching voltage converter, also called a Buck type converter, the input of which is connected to the output of said electrical source, and the output of which is connected to the input of said battery , said converter comprising a feedback terminal for the analog control of the PWM duty cycle, whose reference voltage is Vf, namely that said reference voltage is connected to the positive terminal of an operational amplifier, the terminal of feedback being constituted by the negative terminal of said operational amplifier, and the output of said operational amplifier being connected to the input of a modulator generating the PWM signal, so that the duty cycle increases proportionally with the output voltage of said operational amplifier. An adjustable fixed potential point with high input impedance, voltage Vr. This can for example be generated from a digital signal, connected to a D / A converter itself connected to the positive terminal of a second operational feedback amplifier. The said adjustable fixed potential point is then constituted by the negative terminal of said second operational amplifier and the value of its voltage is equal to that of said digital signal. One or more resistances between said adjustable fixed potential point and the output of said electricity source, resulting impedance Ri One or more resistors between said adjustable fixed potential point and the feedback terminal of said converter, resulting impedance Rf A negligible impedance current collector, connected to the feedback terminal directly or via one or more resistors, allowing the flow of a current from the output of the said electricity source through the said resistance Ri, the said adjustable fixed potential point and said resistance Rf, the function of said current collector being able to be provided by the output of said second operational amplifier, such that an increase in the voltage at the output of said source of electricity will generate a voltage drop at the feedback terminal of said converter, thus an increase in the PWM duty cycle and, knowing that the output voltage of the converter and therefore at the terminals of the battery is stable over time, this effect will cause an increase in the current flowing through said DC / DC converter and consequently a decrease in the voltage at the output of said source of electricity. Conversely, a decrease in the voltage at the output of the said source of electricity will generate a voltage increase at the feedback terminal, therefore a decrease in the PWM duty cycle, a decrease in current in the said DC / DC converter and consequently a increasing the voltage at the output of the said source of electricity. For this purpose, the regulation is guaranteed, the voltage at the feedback terminal tends to stabilize at the value of said reference voltage Vf, the voltage Vi at the output of the electrical source is therefore stable and depends linearly on the adjustable voltage Vr, according to the report: Vi = Vr * (1 + Ri / Rf) - Vf (Ri / Rf).

[0016] Le dispositif présenté se prête particulièrement à l’implémentation d’un algorithme MPPT pour le chargement d’une batterie à partir d’un panneau photovoltaïque. Dans une variante possible, un capteur de courant est placé à l’entrée de la dite batterie et, sachant que la tension à ses bornes est stable dans le temps par rapport au temps de cycle de l’algorithme, une variation immédiate de courant traduit une variation de puissance qui lui est proportionnelle à la sortie du dit convertisseur, donc à l’entrée du dit convertisseur, et par conséquent à la sortie de la source électrique solaire. Selon cette variante, une méthode de recherche du point de puissance maximum est mise en place. The presented device is particularly suitable for the implementation of a MPPT algorithm for charging a battery from a photovoltaic panel. In a possible variant, a current sensor is placed at the input of said battery and, knowing that the voltage at its terminals is stable in time with respect to the cycle time of the algorithm, an immediate change in current translated a power variation which is proportional to the output of said converter, therefore to the input of said converter, and therefore to the output of the solar power source. According to this variant, a method of finding the maximum power point is set up.

[0017] Le cycle effectué par l’algorithme proposé comporte au moins trois phases de contrôle de la tension de sortie de la dite source électrique et mesure de la valeur de courant correspondante aux bornes de la dite batterie; – la valeur de courant générée pour la tension de sortie du générateur d’énergie électrique courante. – la valeur de courant générée pour une tension de sortie légèrement inférieure à la tension de sortie du générateur d’énergie électrique courante. – la valeur de courant générée pour une tension de sortie légèrement supérieure à la tension de sortie du générateur d’énergie électrique courante. The cycle performed by the proposed algorithm comprises at least three phases of controlling the output voltage of said electrical source and measuring the corresponding current value across said battery; The current value generated for the output voltage of the current electrical energy generator. The current value generated for an output voltage slightly lower than the output voltage of the current electrical energy generator. The current value generated for an output voltage slightly greater than the output voltage of the current electrical energy generator.

[0018] La phase suivante de l’algorithme détermine la valeur de tension d’entrée à choisir pour se rapprocher du point de puissance maximum. La valeur maximum parmi les trois courants détermine le prochain voltage choisi, à savoir que la tension de sortie de la source électrique donnant le courant d’entrée de batterie maximum parmi les valeurs mesurées est sélectionnée comme tension courante pour le prochain cycle. The next phase of the algorithm determines the input voltage value to be chosen to approach the maximum power point. The maximum value among the three currents determines the next selected voltage, namely that the output voltage of the power source giving the maximum battery input current among the measured values is selected as the current voltage for the next cycle.

Liste des dessinsList of drawings

[0019] <tb>La fig. 1<SEP>est un graphique représentant la courbe qualitative Tension / Courant et Tension / Puissance usuelle d’un panneau photovoltaïque. <tb>La fig. 2<SEP>est le schéma d’un dispositif selon l’invention présentée, permettant de charger une batterie avec un panneau solaire dont la tension de sortie est contrôlée par un algorithme MPPT. <tb>La fig. 3<SEP>est le schéma bloc d’un algorithme MPPT selon l’invention présentée.[0019] <tb> Fig. 1 <SEP> is a graph representing the typical voltage / current and voltage / power curve of a photovoltaic panel. <tb> Fig. 2 <SEP> is the diagram of a device according to the invention presented, for charging a battery with a solar panel whose output voltage is controlled by an MPPT algorithm. <tb> Fig. 3 <SEP> is the block diagram of an MPPT algorithm according to the invention presented.

Réalisation de l’inventionRealization of the invention

[0020] Le dispositif présenté dans la fig. 2 comporte un circuit de puissance composé d’un panneau photovoltaïque 1, en série avec un convertisseur DC/DC 3, lui-même en série avec une batterie rechargeable 2. Le convertisseur DC/DC 3 est de type abaisseur de tension à découpage (Buck), et comporte un régulateur à découpage 4 générant le signal MLI haute fréquence contrôlant l’ouverture/fermeture d’un interrupteur constitué ici d’un transistor D-MOS, le rapport cyclique étant déterminé à partir d’une borne de feedback 7 constituée par la borne négative d’un amplificateur opérationnel 9, la borne positive étant reliée à une référence de tension 8, et la sortie de l’amplificateur opérationnelle 9 étant lié en série à un modulateur 10 générant le signal MLI. Le dit modulateur inclut un comparateur, qui compare la sortie de l’amplificateur opérationnel à un signal triangulaire, générant ainsi un signal MLI dont le rapport cyclique augmente proportionnellement avec la tension en sortie de l’amplificateur opérationnel 9. Une inductance 5 est placée en sortie du régulateur à découpage 4 pour stocker l’énergie lorsque l’interrupteur du dit régulateur à découpage est enclenché. Lorsque celui-ci est déclenché, l’énergie stockée dans l’inductance garantit la tension de sortie, la dite inductance se comporte comme un générateur de courant, et le dit courant alimente la batterie 2, tiré depuis la masse à travers la diode 6. Le régulateur à découpage 4, l’inductance 5 et la diode 6 qui composent le convertisseur DC/DC 3 peuvent être réunis sur le même circuit intégré, ou être constitués d’éléments séparés. A la sortie du convertisseur 3, un filtre passe bas constitué d’une capacité reliée à la masse filtre les oscillations rémanentes de courant dues au MLI. Le circuit de régulation du voltage d’entrée comporte un point de potentiel fixe réglable 13 à haute impédance, contrôlée par le voltage de contrôle 18, une résistance d’entrée 16 entre la sortie du panneau photovoltaïque 1 et le point de potentiel fixe réglable 13 et une résistance de feedback 17 entre la borne feedback du convertisseur DC/DC 3 et le point de potentiel fixe réglable 13. La sortie 15 du deuxième amplificateur opérationnel 12 permet au courant de circuler depuis la sortie du panneau photovoltaïque 1 à travers la résistance d’entrée 16 et à travers la résistance de feedback 17. The device shown in FIG. 2 comprises a power circuit consisting of a photovoltaic panel 1, in series with a DC / DC converter 3, itself in series with a rechargeable battery 2. The DC / DC converter 3 is of the buck switch voltage type, and comprises a switching regulator 4 generating the high frequency PWM signal controlling the opening / closing of a switch constituted in this case by a D-MOS transistor. , the duty cycle being determined from a feedback terminal 7 constituted by the negative terminal of an operational amplifier 9, the positive terminal being connected to a voltage reference 8, and the output of the operational amplifier 9 being connected in series to a modulator 10 generating the PWM signal. The modulator includes a comparator, which compares the output of the operational amplifier to a triangular signal, thereby generating a PWM signal whose duty cycle increases proportionally with the output voltage of the operational amplifier 9. An inductor 5 is placed in output of switching regulator 4 for storing energy when the switch of said switching regulator is switched on. When this is triggered, the energy stored in the inductor guarantees the output voltage, said inductance behaves like a current generator, and said current supplies the battery 2, pulled from the ground through the diode 6 The switching regulator 4, the inductor 5 and the diode 6 which make up the DC / DC converter 3 can be united on the same integrated circuit, or be made up of separate elements. At the output of the converter 3, a low-pass filter consisting of a capacitance connected to the mass filters the residual oscillations of current due to the PWM. The input voltage regulating circuit comprises an adjustable high-impedance fixed potential point 13, controlled by the control voltage 18, an input resistance 16 between the output of the photovoltaic panel 1 and the adjustable fixed potential point 13 and a feedback resistor 17 between the feedback terminal of the DC / DC converter 3 and the adjustable fixed potential point 13. The output 15 of the second operational amplifier 12 allows the current to flow from the output of the photovoltaic panel 1 through the resistor. input 16 and through the feedback resistor 17.

[0021] Le point de potentiel fixe réglable 13 à haute impédance d’entrée est constituée par la borne négative du deuxième amplificateur opérationnel 12 en contre réaction, sa valeur est égale à celle de la tension de contrôle 18 branchée sur la borne positive 14 du deuxième amplificateur opérationnel 12. Le contrôleur 22 transmet une valeur numérique de tension à travers une sortie digitale 24, passant dans un convertisseur digital/analogique 19 pour générer la tension de contrôle 18. Pour mesurer l’effet de la régulation de la tension d’entrée sur la puissance délivrée par le panneau photovoltaïque, un capteur de courant 20 est placé à l’entrée de la batterie et transmet sa valeur, via le convertisseur Analogique/Digital 21, à une entrée digitale 23 du contrôleur 22. Le capteur de courant 20 peut être constitué d’une résistance Rb, dont la valeur sera suffisamment faible pour limiter la dissipation d’énergie. De la tension convertie Vb à travers le convertisseur analogique/digital 21, on peut déduire la valeur de courant total Ib alimentant la batterie et la charge Ib = Vb/Rb. The adjustable fixed potential point 13 with high input impedance is constituted by the negative terminal of the second operational amplifier 12 against feedback, its value is equal to that of the control voltage 18 connected to the positive terminal 14 of the second operational amplifier 12. The controller 22 transmits a digital voltage value through a digital output 24, passing into a digital-to-analog converter 19 to generate the control voltage 18. In order to measure the effect of the regulation of the input voltage on the power delivered by the photovoltaic panel, a current sensor 20 is placed at the input of the battery and transmits its value, via the Analog / Digital converter 21, to a digital input 23 of the controller 22. The current sensor 20 may consist of a resistor Rb, the value of which will be sufficiently small to limit the dissipation of energy. From the converted voltage Vb through the analog / digital converter 21, it is possible to deduce the total current value Ib supplying the battery and the load Ib = Vb / Rb.

[0022] Le contrôleur 22 est un circuit numérique, comportant une entrée numérique 23, une sortie numérique 24 et un processeur exécutant un algorithme. Il peut s’agir d’un microcontrôleur, ou d’autres dispositifs équivalents, types microprocesseurs de taille réduite. Les convertisseurs Digital/Analogique 19 et Analogique/Digital 21 peuvent être intégrés dans le même circuit intégré, ou être constitués d’éléments séparés. The controller 22 is a digital circuit, having a digital input 23, a digital output 24 and a processor executing an algorithm. It may be a microcontroller, or other equivalent devices, microprocessor types of reduced size. The converters Digital / Analog 19 and Analog / Digital 21 can be integrated in the same integrated circuit, or consist of separate elements.

[0023] L’algorithme présenté dans la fig. 3 est implémenté dans le dit contrôleur et exécuté cycliquement. The algorithm presented in FIG. 3 is implemented in the said controller and cyclically executed.

[0024] Les 6 premières étapes consistent à mesurer 3 points de courant The first 6 steps consist of measuring 3 current points

[0025] L’étape 1 est une étape d’initialisation, qui a lieu lors du premier cycle de l’algorithme, visant à donner une valeur de départ à la tension d’entrée V0 et fixer la tension de sortie de la source électrique Vi à cette valeur: Vi = V0. Dans l’étape 2, la valeur de courant à l’entrée de la batterie Ib est mesurée pour la tension de sortie courante V0. Cette valeur est enregistrée comme le courant actuel l0. L’étape 3 fixe la tension de sortie de la source électrique à une valeur légèrement inférieure à la tension de sortie courante: Vi = V0-ΔV et mémorise cette valeur comme la tension d’entrée inférieur V- : V- = Vi L’étape 4 mesure la valeur de courant à l’entrée de la batterie I. Cette valeur est enregistrée comme le courant correspondant à la tension inférieure I- : I- = Ib L’étape 5 fixe la tension de sortie de la source électrique à une valeur légèrement supérieure à la tension de sortie courante: Vi = V0+ΔV et mémorise cette valeur comme la tension d’entrée supérieur V+ : V+ = Vi L’étape 6 mesure la valeur de courant à l’entrée de la batterie I. Cette valeur est enregistrée comme le courant correspondant à la tension supérieure I+ : l+ = Ib Step 1 is an initialization step, which takes place during the first cycle of the algorithm, to give a starting value to the input voltage V0 and set the output voltage of the electrical source. Vi at this value: Vi = V0. In step 2, the current value at the input of the battery Ib is measured for the current output voltage V0. This value is stored as the current current l0. Step 3 sets the output voltage of the electrical source at a value slightly lower than the current output voltage: Vi = V0-ΔV and stores this value as the lower input voltage V-: V- = Vi Step 4 measures the current value at the input of the battery I. This value is recorded as the current corresponding to the lower voltage I-: I- = Ib Step 5 sets the output voltage of the electrical source at a value slightly higher than the current output voltage: Vi = V0 + ΔV and stores this value as the upper input voltage V +: V + = Vi Step 6 measures the current value at the input of the battery I. This value is recorded as the current corresponding to the higher voltage I +: l + = Ib

[0026] Puis, les trois valeurs de courants ainsi mesurées, pouvant être assimilées à trois points de puissances, sont comparées. Lors de l’étape 7, le courant maximum est déterminé parmi l0, l- et I+. – Si l0 est supérieur ou égal à I- et I+, l’étape 8 est choisie; la tension de sortie courante de la source est celle qui se trouve la plus proche de la tension délivrant la puissance maximum. La valeur de V0 est conservée pour le prochain cycle. – Si I- est supérieur à l0 et supérieur ou égal à I+, l’étape 9 est choisie; la tension de sortie inférieure de la source est celle qui se trouve la plus proche de la tension délivrant la puissance maximum. V- est choisi comme valeur courante de tension de sortie de la source pour le prochain cycle: V0 = V-. – Si l+ est supérieur à l0 et supérieur à I-, l’étape 10 est choisie; la tension de sortie supérieure de la source est celle qui se trouve la plus proche de la tension délivrant la puissance maximum. V+ est choisi comme valeur courante de tension de sortie de la source pour le prochain cycle: V0 = V+. Then, the three current values thus measured, which can be assimilated to three power points, are compared. In step 7, the maximum current is determined among 10, 1 and I +. If l0 is greater than or equal to I- and I +, step 8 is chosen; the current output voltage of the source is that which is closest to the voltage delivering the maximum power. The value of V0 is retained for the next cycle. - If I- is greater than 10 and greater than or equal to I +, step 9 is chosen; the lower output voltage of the source is that which is closest to the voltage delivering the maximum power. V- is chosen as the current output voltage value of the source for the next cycle: V0 = V-. If l + is greater than 10 and greater than I-, step 10 is chosen; the upper output voltage of the source is that which is closest to the voltage delivering the maximum power. V + is chosen as the current output voltage value of the source for the next cycle: V0 = V +.

[0027] Lors de l’étape 11, la tension de sortie de la source est fixée à la nouvelle valeur de tension courante: Vi = V0. In step 11, the output voltage of the source is set to the new value of current voltage: Vi = V0.

Claims

1. Device for optimum energy acquisition from an electrical source whose power / voltage / current characteristics may vary depending on external conditions, and its conversion to a voltage level suitable for optimum battery charging , said device being composed, according to FIG. 2: A variable electrical source 1 generating an analog signal defined by a voltage and a current, for which the current decreases non-linearly with the increase of the voltage, and for which there exists a point including a voltage and a current associated for which the power output is maximum, said point may vary with time or be stable; A rechargeable battery 2 of capacity such that a variation of current through this battery causes only a negligible variation of the voltage at its terminals; A DC-DC converter 3 of switching voltage-reducing type, the input of said converter being connected in series with the output of said energy source, the output of said converter being connected in series with the input of said battery, and said converter comprising a feedback terminal 7 constituted by the negative terminal of an operational amplifier, which is associated with a reference voltage 8 on the positive terminal of said operational amplifier, the output of said operational amplifier being connected to the input of a modulator 10 generating the MLI signal controlling opening / closing of the switch of said converter so that the duty cycle of said PWM signal varies proportionally with the voltage at the output of said operational amplifier , causing an increase in the voltage at said feedback terminal above said reference voltage to decrease a cyclic report of said PWM signal, and vice versa, and therefore having the effect of the equilibrium of said operational amplifier that the voltage at said feedback terminal tends to equalize with said reference voltage; characterized in that an adjustable fixed potential point 13 with high input impedance is implemented and connected in series, via at least one resistor 16, to the output of said energy source or to the input of said converter and in that said adjustable fixed potential point is connected in series, via at least one resistor 17, to a current exhaust 15 allowing a current to flow from the output of said electrical source through said resistor 16 and through said resistor 17, said current exhaust being directly connected or through one or more resistors to said converter feedback terminal, so; That a drop in voltage at the input of said converter increases the voltage at said feedback terminal, decreases the duty cycle of said PWM signal and, the voltage at the output of said converter being stable, tends to decrease the current passing through said converter and thus increasing the voltage at the output of said electrical source, That according to the same logic, an increase in voltage at the input of said converter decreases the voltage at said feedback terminal, generating compensation by said device which by increasing the duty cycle of said PWM signal tends to increase the current passing through said converter and consequently to reduce said input voltage, thereby achieving a balance point of said operational amplifier, said equilibrium point being defined in that the operational amplifier is not in saturation, and allowing a regulation of the output voltage of said energy source or at the input of said converter to a fixed value directly dependent on the voltage of said fixed fixed potential point on the one hand, and the voltage at said feedback terminal on the other hand , the voltage at said feedback terminal becoming equal to said reference voltage at said equilibrium point.

2. Device according to claim 1, characterized in that said adjustable fixed potential point is constituted by the negative terminal of a second operational amplifier 12, the positive terminal 14 of said second operational amplifier being connected to an adjustable voltage 18 and the output of said second operational amplifier assuming the function of said current exhaust, the output of said second operational amplifier being therefore connected on the one hand via at least one resistance to said adjustable fixed potential point - thereby setting said second operational feedback amplifier and generating the effect that said fixed potential point adjustable to a voltage equal to said adjustable voltage - and the output of said second operational amplifier being further connected directly, or via one or several resistors, at the said feedback terminal of the converter.

3. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that said adjustable voltage consists of a digital output 24 generating a voltage value, in series with a digital-analog converter 19.

4. Device according to claim 3, characterized in that a current sensor 20 is placed at the input of said battery, said sensor being connected to an analog-digital converter 21, the latter transmitting the current information. to a digital input 23.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that said adjustable voltage is manually configurable or via an interface by a user.

6. Device according to claim 4, characterized in that said digital input and said digital output are included within a controller 22, said controller for: Searching for said maximum power output point of said variable energy source, by modifying said voltage value and comparing said current information with said associated voltage values; To generate said voltage value generating the power point for which the power transmitted by said variable electrical energy source to said battery is the highest among the measured values, and thus to approach said power point; maximum output.

7. Device according to claim 6, characterized in that said controller is a microcontroller consisting of at least one processor executing an algorithm, a digital input and a digital output.

8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the battery is connected in parallel to a load, and feeds said load.

9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that said variable energy source consists of a photovoltaic cell exposed to the sun.

10. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that said variable energy source consists of at least two photovoltaic cells, connected in series with each other.

11. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that said variable energy source consists of at least two photovoltaic cells, connected in parallel with each other.

12. Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that said rechargeable battery is of the lithium-ion type.

13. A method of finding the point of maximum instantaneous power of a power source based on a device according to one of claims 6 to 12 consisting of an algorithm executed cyclically, each cycle being separated by a time interval At predefined, characterized in that at each cycle, said controller comprises At least two phases of setting said voltage value to different values, one of which is the current value of voltage, At least two measurement phases, each of said measurement phases corresponding to one of said adjustment phase, during which the current information is memorized A comparison phase for determining the voltage value generating the highest current among the stored data, and A selection phase aimed at setting the voltage value at said value generating the highest current and becoming said current value of voltage for the next cycle.

14. The instantaneous power point search method according to claim 13, characterized in that it comprises 3 said adjustment phases in which said voltage value is respectively equal to said current voltage value, to a value less than said current voltage value and at a value greater than said current voltage value, and in that said instantaneous power point search method comprises 3 said measurement phases respectively corresponding to said 3 said adjustment phases mentioned.