Au cours du premier semestre de leur cinquième année, les étudiants ingénieurs en génie électrique par alternance réalisent un projet de recherche technologique. Timothée DICKELY et Lucie SCHWANGER ont étudié et réalisé un convertisseur Buck-Boost 4-switch sous la supervision de Sylvain VOSSOT.

Présentation du projet 

Le convertisseur a pour vocation de recharger deux batteries Lithium-ion à partir d’énergie issue de panneaux photovoltaïques sur un site isolé.

Le projet s’intègre parfaitement aux enjeux actuels, à travers la production et le stockage d’électricité issue d’énergies renouvelables, ainsi que l’autonomie électrique d’un site non raccordé au réseau.

Le projet se veut pluridisciplinaire à travers l’ensemble des domaines abordés : électronique de puissance, électronique numérique, programmation, énergies renouvelables et réseaux. Le projet se décompose en trois grandes parties : Etude et dimensionnement de la structure du convertisseur, régulation à partir d’un microcontrôleur et communication des données à l’utilisateur.

Partie 1 : Electronique de puissance – Etude de la structure et dimensionnement des composants

Le projet a débuté par une phase d’étude et de recherche bibliographique qui nous a permis de faire le point sur les différentes structures de convertisseurs existantes et de choisir la plus adaptée au contexte. La structure choisie a ensuite été étudiée et dimensionnée avec le logiciel PSIM, qui est un logiciel de simulation adapté à l’électrotechnique et l’électronique de puissance. Cela nous a également aidé dans le dimensionnement des différents composants du circuit de puissance et l’étude du comportement du système dans ses différents mode de fonctionnement.

La production d’énergie photovoltaïque dépend de l’irradiation, de l’ombrage, et de la température des panneaux. Par conséquent, la tension d’entrée est variable.  La structure buck-boost 4-switch permet d’assurer la fonction élévateur et abaisseur de tension afin d’adapter la tension issue des panneaux photovoltaïques à celle des batteries. Pour cette structure de convertisseur, il existe 3 modes de fonctionnement qui dépendent de la différence entre la tension d’entrée et celle de sortie : 

Ve > Vs → Mode buck 

Ve < Vs → Mode boost

Ve ≈ Vs → Mode buck-boost

Partie 2 : Régulation du convertisseur par un microcontrôleur

Le convertisseur doit permettre de recharger des batteries Lithium-ion. Il est nécessaire de mettre en place une régulation afin de respecter les différentes phases de charge des batteries aux valeurs préconisées par le constructeur. La régulation permet ainsi d’adapter la tension et le courant aux bornes de la batterie, d’optimiser la charge et d’éviter une fin de vie précoce des batteries. Il est également intéressant d’ajouter une commande MPPT afin de travailler au point de puissance maximale et optimiser la production.

La commande de la régulation repose sur un microcontrôleur Arduino DUE. Il est nécessaire d’utiliser des boucles de régulation pour ajuster dynamiquement les rapports cycliques de commande des interrupteurs en fonction de la tension d’entrée et de l’état de charge des batteries. On distingue donc plusieurs
parties dans l’algorithme de régulation :

• Détermination du mode de fonctionnement en fonction de la différence VE-VS
• Détermination de la phase de charge des batteries 
• Gestion des boucles de régulation de courant et de tension
• Conditionnement des signaux de commande vers la puissance

Une interface intermédiaire entre la puissance et la commande a été créée regroupant les éléments suivants : 

• Un montage différenciateur à base d’aop pour réaliser les mesures différentielles de tensions
• Des filtres  pour extraire la valeur moyenne des signaux renvoyés par les capteurs de courant
• Des drivers avec condensateur Bootstrap permettant de fournir le courant nécessaire à la commutation des transistors, ainsi que de commander à la fois le transistor du haut et celui du bas à partir des signaux PWM générés par le microcontrôleur

Partie 3 : Communication

Afin de visualiser les données du système, une page web est accessible depuis le smartphone ou l’ordinateur de l’utilisateur par connexion Wifi. La page est hébergée sur la carte du microcontrôleur et a été codée en langages HTML et CSS. Ces langages sont les deux standards utilisés dans tout développement web car ils sont lus et traduit par les navigateurs, ce qui permet d’afficher des pages web.  Pour permettre la communication Wifi du système, un shield Wifi Adafruit a été connecté à la carte Arduino via une liaison SPI.

L’utilisateur et le système communique à travers un échange de requêtes et de réponses dans un environnement dit client-serveur. L’utilisateur peut alors visualiser les différentes grandeurs en entrée et sortie du système, ainsi que son rendement. Il suffit qu’il se connecte au même réseau Wifi que le système et entre l’adresse de la page web dans son navigateur. 

Conclusion sur le projet :

Le projet a donc été mis en oeuvre à travers les trois points cités précédemment : Puissance, commande et communication.  La difficulté a été de trouver les meilleures solutions techniques pour chaque partie, puis de les assembler. 

Après la réalisation des différentes cartes, une campagne d’essais et de mesures a été réalisée afin de vérifier le bon fonctionnement du système. Cela a permis de déterminer le rendement du système. Ce dernier dépend du mode de fonctionnement mais est au minimum de 88%. 

Point de vue des étudiants : 

A travers l’ensemble des compétences nécessaires à la réalisation du projet, ce dernier nous a permis de réellement approfondir nos connaissances en génie électrique  :

• en électronique de puissance, par l’étude des modes de fonctionnement et la mise en évidence du lien étroit entre le type de commande utilisé et les performances de la structure de
  conversion
• en électronique analogique, par la mise en oeuvre de drivers et d’une chaîne d’acquisition pour la mesure de courants et tensions
• en automatique , par l’implémentation et le réglage d’une boucle de régulation numérique
• en électronique numérique, par la programmation d’un microcontrôleur 32 bits et l’utilisation de ses périphériques pour le pilotage du convertisseur et la communication
• en réseau et programmation par la mise en place de l’environnement client-serveur en connexion Wifi et la programmation d’une page Web en langage HTML et CSS

Autres ces compétences techniques, la fonction de chef de projet doit également être assurée pour mener à bien le projet en respectant les délais imposés à travers les éléments suivants : 

• Gestion du projet de l’étude à la mise en oeuvre du convertisseur
• Etat de l’art, propositions et choix de solutions techniques
• Choix des fournisseurs et commande des composants 
• Gestion des imprévues
• Essais et validation du système
• Communication régulière avec le client : Cahier des charges, évolution et état d’avancement du projet