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Charge de la batterie moteur par un panneau (note énergie camping car)

Maj : 18/02/08

Charge de la batterie moteur par un panneau

J’ai trouvé, dans les forums et les sites camping car, une proposition de montage pour pallier à l’absence de charge de la batterie moteur par le panneau.
En usine, le limiteur de charge n’est branché que sur la batterie servitude, généralement une 100 A à décharge lente.

Pour être plus rigoureux il ne s’agit pas de recharger la batterie moteur, mais simplement de compenser son autodécharge surtout pendant l’hivernage, lui éviter de se dégrader et tenter de maintenir juste assez d’énergie pour permettre de démarrer après trois mois d’abandon.
En hiver le panneau fournira très peu, les batteries ne seront jamais chargés à bloc !

Il est suggéré dals le forum de monter sur le positif de la batterie servitude une diode 10 A et une résistance 5 ohms pour transférer l’excès de charge de la batterie servitude vers la batterie moteur du porteur, sa tension étant toujours maintenue inférieure de 0.6 V (la chute de tension de la jonction diode) à celle de la batterie servitude.
Cela n’est pas une très bonne idée car il se crée une fuite d’énergie permanente de la batterie servitude vers moteur, surtout quand le panneau charge peu ou pas.

Je vous transmets l’expérience issue de la voile ou l’on retrouve de semblables problèmes.

Voir en section voile les questions d’énergie

Il est plus rationnel de câbler cela différemment.

Il faut se prendre avant le régulateur, sans toucher à l’installation existante et câbler directement la diode et la résistance série de dérivation moteur.
Il n’est nul besoin de régulateur pour la batterie moteur, en effet, en supposant la batterie servitude chargée à bloc, à midi sous les tropiques, un panneau de 100 W à plat fournirait à 14.6 V (batterie servitude à 14 V, plus chute diode) un maximum (jamais constaté) de 100/14.6 = 6.8 A, en pratique moins de 6A sur une batteries moteur complètement à plat.
En pratique ces conditions de midi sous les tropiques ne sont jamais atteintes et le courant sera beaucoup plus faible.
Sous nos latitudes à midi en été, il faut tabler sous 3A en pic.

Pour reprendre noute montage proposé, la chute de tension aux bornes de la 5 ohms serait alors de V=RI = 5* 3 = 15 V (condition aux limites jamais atteinte, batterie en court circuit).
La puissance maximale dans la 5 ohms serait de P= V2/R = (RI)²/R = RI² = 5*9 = 45W, ce qui est totalement irréaliste pour de multiples raisons.
En pratique il est beaucoup plus astucieux de remplacer cette résistance par une ampoule courante de phare de 12 V, 50 W ( 4 A sous 12 V).
L’expérience montre qu’en conditions extrêmes, le filament commencera à peine à rougir, sa non linéarité assurant une excellente limitation, sa tension aux bornes ne pouvant dépasser quelques volts et le courant ne dépassant jamais 1 ampère en pic.
Cette valeur est très inférieure au courant de floating d’une batterie moteur de très petite capacité.
Le panneau propre (sans fientes de mouettes) ne compensera que l’autodécharge de la batterie moteur en été, en hiver il évitera juste qu’elle ne vide complètement et se détruise, et devrait assurer le démarrage après quelques semaine de non utilisation.

Comportement d'ampoules en fonction de la tension

Utilisation d’un panneau à vide

Contrairement à une vielle légende urbaine sans fondement qui circule sur les forums, il n’y a aucun inconvénient à laisser un panneau débranché à vide pour des tests ou pour une raison quelconque.
Il est totalement inutile de le couvrir en cas de non utilisation, sauf pour lui éviter de se salir…
Il supporte aussi les courts circuits accidentels sans problème ainsi que son régulateur associé, mais pas la batterie !

Diamètre des fils

Vous trouverez tous les détails ici : Énergie

Annexes techniques

Pourquoi ce pinaillage ?

Il peut sembler que brancher la diode avant ou après le régulateur ne soit que point de détail futile. Il n’en est rien, Il ne s’agit pas de sodomiser les diptères !
Si l’on branche la diode après, on transfère l’énergie de la batterie servitude, qui aura été chargée via le panneau solaire avec sa perte importante du rendement.
Une batterie neuve peut restituer au mieux en énergie environ la moitié de sa capacité commerciale, si la charge a été parfaitement optimisée et arrêtée au point de basculement en mode floating.
L’énergie de charge sera au minimum 120% de l’énergie théorique (pour simplifier nous raisonnerons en A*h), donc la recharge d’une batterie vide de 100 A*h demandera 120 A*h, et restituera 100/2 =50 A*h.
Nous avons donc un rendement global de 50/120 = 42 %

Si la charge continue en mode floating, c’est le courant d’entretien pour compenser l’autodécharge, l’énergie fournie tendra vers l’infini, pour la même quantité restituée (dans l’exemple 50 A*h), le rendement tombera vers zéro.
Si nous branchons la diode avant le régulateur de base, c'est-à-dire en pratique, nous montons un deuxième régulateur de charge, nous ne prélevons aucune énergie sur la batterie servitude, le transfert est direct avec un rendement de 100% de l’énergie en surplus fournie par le panneau au lieu des 42 % ou beaucoup moins.

Petite amélioration

J’ai toujours été obsédé par la mesure de toutes les grandeurs physiques. Sur toutes mes installations de panneaux, il y a toujours un petit ampèremètre à aiguille branché en série avant le régulateur. Il est gradué de 0 à 100%, le shunt est calibré pour donner 100 % à 5 A pour un panneau de 100 W à plat. Il est inutile de calibrer à des valeurs supérieures, c’est mauvais pour le moral de toujours lire de faibles valeurs sur le cadran…

Réponse courant / tension d'un panneau

Courbe montrant le pourcentage du courant maximum (midi, tropiques, perpendiculaire, maintenu à 25°C...) fonction de la tension du panneau
La valeur "1" (100%) correspond à la puissance commerciale du panneau divisée par la tension de service au rendement maximum de 16.5 V.
Exemple panneau de 100 W, 12 V, courant I de référence =100/16.5 = 7.2 A et non pas 100/12 = 8.3 A.
Au rendement maximal, le courant espéré sera d'environ 0.7 fois la valeur obtenue en divisant la puissance du panneau par 12, environ 8.3 *0.7 = 5.8 A pour un panneau 100 W (en supposant le panneau bien refroidi à 25°C, en s'échauffant, le rendement s'écroule.
Sous nos latitudes, comptez sur 3 A au midi solaire pour le panneau à plat au solstice d'été (dix fois moins au solstice d'hiver).
L'énergie maximale est toujours obtenue pour une tension de panneau de 16. 5 V

Daniel Fauquet m'a confirmé avoir constaté sur ses panneaux Alden 2*60 W, un courant maximum supérieur à celui que j'indique. Je corrigerai ces chiffres, basés seulement sur l’expérience en voilier, après une première saison d'exploitation en CC.
Si cela se vérifie, cela voudrait dire que ces panneaux sont meilleurs que ce que l’on achète pour la plaisance.
Si vous avez fait des relevés soignés, je suis intéressé par vos retours.

Bilan de l’énergie fournie par un panneau

Les notices commerciales des panneaux suggèrent que l’énergie fournie par un panneau à plat (solstice d’été, conditions optimales…) est de l’ordre de trois fois la puissance catalogue sur la journée, le quart de ce maximum en hiver, quatre fois plis en cas de poursuite du soleil.

Exemple panneau 100 W à plat, énergie maximale espérée 300 Wh (Puissance en watts P=V. I, multipliée par le temps). Cela équivaut à la puissance constrructeur fournie pendant trois heures, valeur réaliste sur une journée d'été nien ensoleillée dans le sud.
En prenant une tension de batterie moyenne de 13 V, capacité chargée 300/13 = 23 A*h

En lissant la valeur sur 24 h, cela équivaudrait à recharger la batterie avec un courant constant de 1 A en été et de 0.25 A en hiver.
Ces valeurs sont assez réalistes en conditions optimales. En été, cela doit étaler une consommation raisonnable.

Avant de commencer, il faut bien poser le problème.
Soit panneau monté à plat, moins d’énergie mais montage très simple, sans entretien.
Soit installation mécanique de suivi du soleil, rendement trois fois meilleur (surtout quand le soleil est bas), mais grandes difficultés de réalisation, tube de traversée devant tomber dans un placard discret, souvent incompatible avec la position idéale sur le toit encombré, le panneau balayant une grande surface en rotation. La mécanique est fragile, il faut verrouiller efficacement en position de repli, tous ces efforts en valent-ils la peine ?

Réalisation d’un dispositif de poursuite

Nous avons évoqué qu'un montage à poursuite solaire donne une quantité d’énergie collectée de trois à quatre fois plus importante qu'un montage à plat, mais au prix d’une bien plus grande complexité mécanique. L"électronique de pilotage est assez simple, mais le montage mécanique demande des compétences certaines.

Approche par calcul

L’électronique se réalise simplement avec une petite carte à microcontrôleur.
Le principe est d’installer deux modules GPS (c’est bien facile que de mettre deux antennes commutées avec les pertes du câble, le modules avec patch coûtent quelques dizaines de dollars). Un GPS est à l’avant du véhicule, l’autre à l’arrière, c’est utilisé couramment sur les bateaux.
Le premier sert de maître et donne la latitude et l’heure solaire, calculée d’après les données extraites de la chaîne NMEA 183 (voir la page). L’heure du midi solaire local est la demi somme du lever et coucher du soleil en GMT. Le calcul de l’azimut et de l’élévation instantanés est trivial. Il faut évidement connaître le cap du véhicule, c’est à cela que sert le deuxième GPS. Il fonctionne en différentiel piloté par le premier, un décalage d’antenne de quelques mètres donne une précision supérieure au degré.
Montage alternatif :
Pour ceux qui ne désirent pas monter le deuxième GPS, il existe une alternative. Des capteurs magnétiques très économiques fournissent un cap magnétique approximatif, on peut espérer une dizaine de degrés de précision en compensant la masse magnétique du véhicule.
Cela suffit pour avoir un azimut approximatif, le positionnement sera affiné grâce à deux capteurs latéraux légèrement décalés (phototransistors montés sans des tubes aluminium), le système cherchera à équilibrer les deux niveaux.

Une erreur d’alignement sur un seul axe produit une perte de puissance correspondant au sinus de l’écart (surface frontale « vue » par le soleil).
S’il y a une double erreur de 45 degrés (élévation + altitude), la surface vue sera moitié, le rendement sera réduit à 50 %.
S’il y a une double erreur de 6 degrés, le rendement sera de 80 %.
S’il y a une double erreur de 3 degrés, le rendement sera de 93 %.
Nous rechercherons donc une précision de quelques degrés.

Le système se déclenche si le contact est coupé depuis plus de cinq minutes, et si le capteur à cellule omnidirectionnel indique qu’il y a assez de lumière extérieure (il serait ridicule de lancer la poursuite dans un hangar). Les GPS sont allumés, il faut patienter quelques minutes pour que le fix soit obtenu. Le calcul se fait alors et les GPS sont coupés. Si le contact n’est pas remis pendant dix minutes le positionnement est lancé sur l’horloge interne. Dès que le contact est mis ou si le panneau ne fournit plus (nuit ou ombre) l’ordre de repli est envoyé.

Approche analogique

Il existe un autre moyen de réaliser une poursuite, sans aucun calcul, uniquement en utilisant quatre cellules divergentes (photopiles ou leds) et des amplificateurs. C’est très simple mais je trouve la méthode par calcul plus précise et élégante.

Sécurité

Le dispositif doit évidement disposer d’une sécurité qui par lors de rafales de vents replie tout en position de repos et bloque définitivement la poursuite (réarmement manuel).

Il reste à adapter la mécanique, mais c’est beaucoup moins simple…

Autres possibilités énergétiques pour un CC

Chargeur secteur nucléaire

L’énergie nucléaire, sans laquelle nous ne pourrions survivre, est la solution parfaite, mais en mobile, la rallonge n’est souvent pas assez longue pour atteindre la prise la plus proche…
Il n’y a rien de comparable en terme de performances, coûts et de facilité que le chargeur secteur !

Alternateurs du porteur

Sur nos bateaux, nous installons une poulie supplémentaire pour ajouter un gros alternateur débrayable, en parallèle sur l’alternateur moteur. Le but est de charger à gros débit, moteur débrayé au ralenti. Il tourne quatre fois plus vite que l’alternateur d’origine, une sécurité débraye l’embrayage magnétique si le régime moteur dépasse le quart du régime de croisière.
Il n’est évidement pas écologique de faire tourner son gros diesel au ralenti, cela pollue et gêne le voisinage, mais l’énergie fournie est énorme, une centaine d’ampères pour charger un gros parc à batterie.
Cela est très rationnel si l’on a à bord plusieurs centaines d’A*h en servitudes, plus le compresseur du congélateur, plus le dessalinisateur, ce qui absorbe des kW, mais c'est moins courant en CC.
Les spécialistes en diesel désapprouvent à juste titre cette utilisation aberrante car les moteurs modernes s’abîment en tournant longtemps en charge à régime extrêmement bas, mauvaise lubrification, très mauvais rendement, mais cela rend bien des services pour un investissement minimum.
Si l’on n’utilise que l’alternateur d’origine au ralenti, les inconvénients seront les mêmes, mais l’énergie fournie sera encore plus faible.

Freinage de l’alternateur

Il n’y a évidement pas de mystère, si l’on tire plus d’énergie sur un alternateur, le couple de freinage sera plus important, le moteur forcera et consommera plus. Cela est très sensible lorsque le moteur est en charge en régime de croisière, si l’on enclenche l’excitation de l’alternateur (ou la climatisation), le moteur est nettement freiné.
Il est facile d’en calculer l’incidence.
En début de charge, l’alternateur fournira pour charger les deux ou trois batteries environ 30 A au maximum (l'idéal est de charger 10 h à C/10).
En tenant compte de l’énergie d’excitation et des diverses pertes pertes, le rendement de l’alternateur étant toujours inférieur à 50 % (le moteur thermique ayant lui même au mieux un rendement de 10 %).
La puissance absorbée par l’alternateur sera de : P = V * I / rendement = 15 V * 30 A /0.5 = 900 W pour les 30 A restitués.
En exprimant la puissance en CV, 1 CV = 736 W, nous sommes donc de l'ordre de grandeur du cheval.
Pour un moteur de 135 CV, en régime de croisière, nous serons à la moitié de cette puissance, soit environ 65 CV, l’alternateur en absorbera moins de 2 %, il ne faudra donc pas paniquer pour la consommation qui augmentera de cet ordre.

Aérogénérateur

Sur les bateaux de grande croisière, un aérogénérateur est un complément indispensable pour fournir une seconde énergie douce (voir les liens). Il me semble inutilisable sur un CC pour deux raisons principales.
Un CC à l’arrêt sera généralement beaucoup moins exposé à un vent régulier qu’un bateau au mouillage, surtout sous les tropiques avec un alizé permanent.
La nuisance produite par les vibrations est considérable, c’est pénible sur un gros bateau, sur un petit CC, cela serait intolérable.

Pile à combustible (fuel cell)

La technologie des piles à combustible étant en évolution rapide, une page annexe y est consacrée :

Groupe à gaz ou gazole

Cette solution évite les désagréments du groupe électrogène avec son stockage d’essence. Il est beaucoup plus pratique de s’alimenter sur le propane du bord.
La problématique est identique avec un groupe au gazole qui s’alimente sur le réservoir du porteur.
Le matériel actuel présente toutefois plusieurs inconvénients :
Le prix, encore, disproportionné par rapport à un groupe essence de technologie comparable mais beaucoup plus diffusé.
Le poids, car les matériels sur le marché sont trop puissants pour nos petites batteries, nous n’avons pas forcément besoin de charger à très fort courant pendant un temps bref, mais plutot longtemps à courant faible (C/10) pour préserver les batteries.
Le bruit et le nuisances, comme tout moteur à explosion, mais une installation en fixe peut permettre d’installer un échappement plus efficace (mais cher).

Nous pouvons rêver à moyen terme, de trouver dans les catalogues, un petit groupe à turbine, relativement lége et silencieuxr (pour ne pas le confondre avec un Stuka en piqué), de prix acceptable, alimenté en propane ou gazole, et produisant une dizaine d’ampères (sous 15 V, c'est à peine 150 W, un cinquième de cheval !), soyons patients…

Installer une deuxième batterie

Pour doubler l’autonomie à coût minimal, cette solution très différente peut éviter de rajouter un dispositif supplémentaire de charge. Lorsque que l’énergie sera abondante, moteur en marche ou charge nucléaire, le double sera accumulé.
Il n’est pas recommandé de mettre les deux batteries de servitude en parallèle, il vaut mieux utiliser un commutateur et alterner l’utilisation.
Voir les détails en page « Energie batteries »
En charge forte, le montage d’un simple relais temporisé sur le contact monteur, permet de les mettre en parallèle simplement, cela ne pose aucun problème car le courant de charge est supérieur au courant de transfert de la plus forte vers la plus faible.
Il faut une sortie supplémentaire pour le régulateur du panneau solaire pour charger à l’identique les deux batteries de servitude.

Les autres solutions

Voir les groupes Stirling en page énergie voile, peu adaptés au CC, car d'un prix excessif.
Si l’on excepte le vélo d’appartement et le troupeau de hamsters en cages tournantes, il n’y a pas d’autre solution pratique envisageable…

Optimiser son énergie

Pour s’assurer une autonomie correcte en énergie sans se priver, les moyens sont triviaux.
Avoir plus de capacité (doubler la batterie de servitude) et charger mieux, comme évoqué au dessus
Moins gaspiller. Les économies principales portent sur l’éclairage, en privilégiant les lampes économiques à leds et fluorescentes, en progrès constants.
Les lampes à filaments sont trop « énergivores » pour être conservées de nos jours.

Pages à venir

Réalisation d’un microordinateur de bord, de caractéristiques principales :
Basé sur un ARM7, sortie USB, consommation insignifiante, intégrant la poursuite solaire comme évoqué.
Enregistrant sur carte mémoire les courbes sur plusieurs années de :
Tension des trois batteries, courants individuels de charge/décharge, charge propre du panneau solaire…
L’ensemble des données est transférable sur PC par USB au format Excel.
Un afficheur LCD et six boutons permettent un affichage indépendant du PC

Bon bricolage

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Merci aux journalistes qui pillent sans vergogne mon site,
d’avoir au moins la courtoisie de citer leurs sources…

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        Dernière retouche le 18 Février 2008 à 14 h