Tout savoir sur le fonctionnement des régulateurs (ou contrôleurs) de charge

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Un régulateur de charge appelé aussi contrôleur de charge, est un système ou appareil électronique fonctionnant de façon complètement automatique auquel sont raccordés le générateur (panneaux solaires, éolienne, etc.) la batterie ainsi que d’éventuels équipements ou composants de l’installation.

Le régulateur de charge principale sert avant tout à contrôler l’état de la batterie. Il permet, en effet, d’assurer la charge complète de la batterie et prévient de tout risque de surcharge de celle-ci en stoppant l’alimentation de cette dernière lorsque cela s’avère nécessaire. Ce mécanisme de régulation consiste à surveiller en permanence l’état de charge de la batterie.

Le régulateur coupe l’alimentation du générateur lorsque l’état de charge de la batterie atteint l’une des valeurs limites correspondant au déclenchement de la sécurité. Il existe plusieurs valeurs limites correspondant chacune à un type de protection différent : surcharge, décharge profonde, température de fonctionnement, court-circuit, etc.

Cette surveillance et cette protection permanente permettent ainsi de prolonger de façon importante les performances et la durée de vie de vos batteries.

Les régulateurs standards couramment utilisés sur le marché proposent en général un ensemble de protections dites "classiques" telles que : protection contre la surcharge, protection contre la décharge profonde, protection contre les courts-circuits, protection du générateur, protection thermique (sonde), etc.

La plupart de ces régulateurs sont équipés de voyants ou témoins lumineux destinés à fournir un ensemble d’indications telles que : l’état de charge de la batterie, l’état de fonctionnement du générateur, le mode de fonctionnement en cours, l’état des différentes protections, etc.

Les nouvelles générations de régulateurs "haut de gamme", quant à eux, sont de plus en plus perfectionnés et proposent des fonctionnalités plus nombreuses et de plus en plus évoluées.

Parmi ces fonctionnalités, nous pouvons citer :

• La prise en charge de plusieurs modes de charges (charge rapide ou "bulck", phase d’absorption, phase d’entretien ou "float", phase de veille ou "silent", phase d’égalisation ou "equalization"
• Le dispositif de compensation de température de batterie
• Les sorties auxiliaires de contrôle permettant le raccordement d’autres appareils
• L’écran d’informations type LCD couleur
• La possibilité de raccorder des écrans de contrôle distants
• La connexion possible à un réseau informatique
• L’enregistrement et l’analyse des données du régulateur sur de longues périodes
• La connexion série type RS232
• La capacité a adapter automatiquement certains paramètres (tension, etc.)
• La possibilité de déclencher des alarmes de façon automatique (sonores, mails, pagers, etc.)
• La mise en route automatique de composants secondaires ou d’éléments raccordés au système (groupe électrogènes, basculement réseau, etc.)
• Le contrôle et l’optimisation des paramètres de fonctionnement des composants de l’installation (générateur, batterie, etc.) via des mécanismes de type MPPT ("Maximum Power Point Tracking" c'est-à-dire "Recherche du point de puissance maximal".

Les régulateurs (ou contrôleurs) de charge servent avant tout à protéger les batteries contre les surcharges. Il existe 2 grandes familles de régulateurs de charge utilisant chacune une méthode différente de contrôle de charge :

• Les types Séries
• Les types Shunt

Ces deux méthodes ont en commun qu’elles utilisent le niveau de tension des batteries pour déterminer quand réduire ou alors stopper complètement la charge des batteries

Contrairement à certains générateurs, les panneaux solaires photovoltaïques peuvent être court-circuités ou peuvent voir leur circuit s'ouvrir sans dommage.

Avec les régulateurs de type Séries le courant de charge des batteries est occasionnellement coupé par l'ouverture d'un circuit entre les panneaux solaires photovoltaïques et les batteries.

Avec les régulateurs de type Shunt, le courant de charge des batteries est dévié vers une résistance et un court-circuit est effectué au niveau des panneaux solaires photovoltaïques.

Régulateurs de type Séries

Selon la taille de l’installation photovoltaïque, un régulateur simple ou à relais multiples peut être utilisé. Ces régulateurs ouvrent simplement un ou plusieurs relais selon la tension des batteries, afin de réduire la charge, ou de l'arrêter complètement. Les régulateurs contrôlent aussi les courants de l'ordre de 40 à 50 ampères provenant des panneaux solaires photovoltaïques. L'ouverture et la fermeture de ces relais est réalisée en fonction des seuils de tensions maximum et minimum prédéterminés. Pour des régulateurs à relais multiples, un relais peut rester fermé pour maintenir une charge complète, en alimentant les batteries via un circuit de puissance ou un circuit électronique linéaire.

Pour les systèmes dont les courants de sortie excèdent 50 ampères, les régulateurs doivent comporter plus d'un relais (au mercure de préférence), branché à un ensemble ou des régulateurs individuels, offrant l'avantage d'un système parallèle opérant indépendamment, avec une bonne fiabilité.

Régulateurs à commutation Solid state (Pulse width modulation ou PWM)

Ces régulateurs utilisent des MOSFET ou des transistors de puissance fonctionnant à des fréquences importantes, afin de générer des impulsions, pour maintenir les batteries à une tension constante. La durée d'un cycle d'impulsion utilisée dans les régulateurs types Séries ou Shunt, varie en fonction de la tension des batteries et du courant de charge. Ces régulateurs ont une excellente caractéristique de charge pour les systèmes photovoltaïques jusqu'à 40 ampères; cependant, à cause de leur grande commutation, ils peuvent générer des fréquences pouvant interférer avec les équipements de télécommunication.

Les relais utilisés dans les régulateurs ont quelques limites qui affectent leur durée de vie. Pour prolonger celle-ci, il faut allonger leur cycle d'ouverture et de fermeture, entravant par conséquent les performances des batteries. Lorsque le courant de charge est grand, ces relais nécessitent un circuit de dérivation pour supporter temporairement le courant pendant le cycle. Les circuits de commutation des régulateurs solid state feront indéfiniment des cycles d'impulsions sans dommage. Cependant, la chute de tension à leurs bornes génère de la chaleur.

La modulation de Largeur d’Impulsion (PWM) est une méthode très rapide et efficace qui permet d’atteindre l’état de pleine charge d’une batterie solaire. Contrairement aux contrôleurs plus anciens qui n’agissaient sur le courant de charge que par ON ou OFF (ce qui est suffisant pour restaurer l’état de charge d’une batterie à environ 70%), le régulateur à technique PWM vérifie constamment l’état de charge de la batterie pour ajuster la durée et la fréquence des impulsions de courants à lui délivrer. Si la batterie est déchargée, les impulsions de courant sont longues et presque ininterrompues. Quand la batterie est presque entièrement chargée, les impulsions deviennent de plus en plus brèves et espacées.

Par sa nature même, cette technique achève la dernière portion du processus de la recharge (la plus complexe) et diminue la sulfatation des plaques car le courant de charge de la batterie est pulsé à haute fréquence.

Diode de protection

Installations auto régulées

Dans certains cas, les panneaux solaires photovoltaïques peuvent fonctionner sans régulateur de charge, utilisant simplement une diode anti-retour pour empêcher le courant de circuler dans le sens inverse sous les conditions suivantes:

• Le courant de charge des batteries est égal au courant produit par les panneaux solaires photovoltaïques; La température est relativement constante.
• Les batteries ont une capacité au moins 30 fois plus grande que le courant de court-circuit pouvant être délivré par les panneaux solaires photovoltaïques.
• La tension ouverte des modules est de l'ordre de 18 Volts maximum; Une diode anti-retour de capacité suffisante empêche le courant inverse de retourner vers le panneau solaire photovoltaïque.

Diode Zéner

Avant, les systèmes photovoltaïques de taille relativement petite utilisaient des diodes zéner comme shunt afin de court-circuiter les panneaux solaires photovoltaïques. Ces moyens de contrôle limitent les applications car les variations des performances des systèmes photovoltaïques sont énormément affectées à cause de la température et la difficulté de trouver la diode zéner correspondant à la tension de charge des batteries.

Choix du régulateur de charge

Trois facteurs sont importants dans le choix d'un régulateur de charge: il s'agit de la tension du système, la température d'opération et le courant maximal. Concernant le courant, il faut additionner tous les courants court-circuits fournis par les panneaux solaires et multiplier par 1,30. Exemple: si on a un panneau solaire qui fournit 4,8 A en court-circuit, il suffit de multiplier 4,8 A par 1,30, ce qui est égal à 6,24 A. Dans ce cas le régulateur doit être en mesure de supporter 6,24 A.

Un certain nombre d'options sont disponibles:

• Sélection du mode de charge ou ajustement de tension et de température prévalente selon le type de batterie.
• Compensation de température: une compensation de température doit être requise à moins que les batteries et le régulateur de charge soient sous des conditions normales de température près de 25°C. Principalement, la compensation de température varie de l'ordre de 5 mV/cellule/°C.
• Déconnexion basse tension (LVD): certains régulateurs débranchent automatiquement la ou les charges de la batterie lorsque cette dernière voit sa tension tomber en dessous d'un certain seuil de tension.
• Auto égalisation: Certains régulateurs sont munis d'un dispositif d'auto égalisation qui charge complètement les batteries à une tension de près de 14 Volts pour système de 12 Volts, afin d'égaliser la charge dans chaque cellule de la batterie, éviter la stratification (mélange non uniforme de l'électrolyte, ce qui réduit le cycle de vie des batteries), et ainsi empêcher la sulfatation. "L'equalization" n'est pas recommandée pour les batteries de type gélifié.
• Les voyants à LED: Ces voyants indiquent le statut de charge des batteries ou des charges alimentées.
• L'afficheur numérique permet d’afficher le courant de charge ou la tension des batteries.
• Contrôle et communication à distance.
• Dispositifs de protection: par exemple un dispositif de protection contre les fuites de courant inverse provenant de la batterie vers les panneaux solaires.
• Etc.

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