Chargeur solaire pour un accumulateur LiFePO4

Introduction

L'accumulateur LiFePO4 peut être employé pour remplacer des piles jetables dans des appareils du quotidien (lampe, audio bluetooth, souris informatique, radio etc...). Contrairement à la majorité des accumulateurs au lithium se trouvant dans les appareils électriques, cet accumulateur n'est pas inflammable et a une longévité supérieure (2000 cycles de charge / décharge). Sa tension très stable en facilite la charge par un générateur solaire avec une puissance optimale en ne nécessitant qu'un système électronique de complexité minimale. Son boîtier en bois robuste et pratique d'utilisation est réalisé à faible coût et en minimise l'impact environnemental. Son contenu électronique peut faire appel à des éléments de récupération pour en minimiser le coût et en réduire davantage l'impact environnemental.

Description

Chargeur pour un accumulateur LiFePO4. Réalisé en bois avec des cellules photovoltaïques de récupération. Construction robuste pour être transporté dans un sac sans risque d'endommagement. Régulateur de charge minimaliste pourvant être construit avec des composants électroniques de récupération. Contacts de batterie magnétiques permettant d'employer le chargeur avec une variété de formats d'accumulateurs LiFePO4. Courant de charge maximal de 200 mA environ en fonction des cellules photovoltaïques employées.

Dimensionnement du panneau photovoltaïque

1) Courant produit par le généteur photovoltaïque: le générateur est censé fonctionner comme une source de courant (unité: ampères, A) pour l'accumulateur. Pour la charge d'un accumulateur LiFePO4 IFR14500 (format AA ou R6, tension nominale 3.2 V, capacité C de 600 mAH c'est à dire 600 mA x 1H) je conseille de ne pas dépasser un courant de charge correspondant à une charge complète en 3 H (soit C/3 = 200 mA). Ces accumulateurs étant typiquement prévus pour des cycles de charge de 5 H (borne d'éclairage solaire, soit un courant de charge de 120 mA). Je recommande de mesurer le courant de court-circuit maximal du générateur et de s'assurer qu'il soit d'environ 200 mA au plus: le mettre bien face au soleil vers midi et mesurer son courant avec un multimètre en position ampère-mètre, ce courant devrait être de l'ordre de 200 mA au maximum. Un courant plus faible se traduira par une charge plus lente de l'accumulateur, éventuellement sur plusieurs jours en fonction du temps. Si le multimètre n'a pas de fonction ampère-mètre, connecter au générateur une résistance de R = 1 ohm et mesurer la tension à ses bornes avec un voltmètre ; elle ne devrait pas dépasser 200 mV = 200 mA x R (loi d'Ohm). Le courant de charge de l'accumulateur peut être ajusté en changeant de modèle de cellule photovoltaïque ou en connectant plusieurs identiques en parallèle ce qui augmente le courant. Le courant réellement fourni par le générateur sera un peu plus faible car nous allons faire en sorte qu'il fonctionne au voisinage de son point de puissance maximal afin d'obtenir le meilleur compromis en la taille du chargeur et le temps de charge. De plus le générateur photovoltaïque n'atteindra sa puissance maximale que sur une durée restreinte dans la journée, approximativement de 10H à 14H, et pour peu qu'il soit correctement orienté face au soleil. 2) Tension produite par le générateur photovoltaïque: l'accumulateur et la diode anti-retour (Schottky 1A SB120) sont connectés au générateur et lui imposent la somme de leurs tensions car ils ont une impédance plus faible que celle du générateur. Un accumulateur LiFePO4 en charge a une tension inférieure à Vaccu = 3.4 V sur les 95% de la charge. La documentation de la diode SB120 donne une tension de chute typique de Vf = 450 mV à un courant de 200 mA. Donc la tension de sortie du générateur photovoltaïque est Vf + Vaccu = 3.85 V. La tension Vaccu croît rapidement dans les cinq derniers pourcents de charge jusqu'à 3.65 V maximum limités par le régulateur de charge. 3) Le point de puissance maximum (en anglais MPP pour Maximum Power Point) d'un générateur photovoltaïque dépend de sa technologie de fabrication. Cet exemple de réalisation du chargeur fait appel à un générateur en silicium cristallin (mono ou polycristallin: c-Si). Cette technologie atteint son point de puissance maximum pour une tension d'environ les 3/4 de leur tension à vide, pour notre chargeur la tension à vide optimale devrait donc être de l'ordre de: 3.85 V x 4/3 = 5.1 V pour un générateur photovoltaïque en silicium cristallin. La cellule solaire photovoltaïque (jonction) en silicium cristallin produit environ 0.55 V à vide: une tension de générateur de 5.1 V à vide correspond donc généralement à 9 ou 10 cellules en série, ce qui est typiquement trouvé dans les chargeurs solaires à prise USB: j'ai récupéré un chargeur de ce type dont le générateur a pour dimensions extérieures 9 x 13 cm et possède dix cellules (nombre de bandes bleutées, voir photo) dont le courant de court-circuit dépasse légèrement les 200 mA. Ce générateur est fragile car les cellules qui le composent sont fines et cassantes et son encapsulation est trop souple, il est donc très fragile et ne pourrait pas être transporté dans un sac sans être endommagé: le boîtier en bois décrit ci-après le protège efficacement. Mais il est aussi possible de récupérer le générateur photovoltaïque de petites bornes d'éclairage solaires de jardin, dont la technologie varie mais est souvent de type couche mince en silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) sur substrat en verre. Cependant il faudra une surface environ deux fois supérieure pour obtenir la même puissance, le poids sera supérieur, et le point de puissance maximum se situera probablement autour de 1/2 fois la tension à vide du fait d'une résistance interne typiquement supérieure, en revanche leur tension à vide est supérieure (environ 0.75 V par jonction) et elles sont plus performantes par éclairages faibles et diffus (temps nuageux, début et fin de journée).

Dimensionnement du boîtier en bois

prévoir 5 mm de marge (ex.: traits de scie)

Découpe du bois

Collage du bois: fond du logement du PV

Préparation des surfaces de collage: poncer légèrement au papier de verre grain fin pour nettoyer + rendre plus rugueuses pour obtenir un collage plus résistant par exemple en frappant la surface avec une pointe en métal (ça facilite aussi l'alignement car les surfaces à coller ne glisseront pas l'une par rapport à l'autre). Appliquer de la colle sur une des surfaces. Aligner et presser l'une contre l'autre les deux surface et les maintenir avec des serre-joints. Surveiller pendant environ dix minutes et essuyer la colle qui s'écoule avec un doigt ou avec un mouchoir humidifié.

Collage du bois: fond du logement du régulateur de charge

Le régulateur de charge sera logé dans une cavité plus petite située de l'autre côté du boitier. De cette façon il est protégé de la chaleur du soleil, ainsi que l'accumulateur dont les fils de connexion sortent du côté ombragé.

Découpage des tourillons

Tourillon de 6 mm lisse en hêtre. Utiliser la scie et découper des morceaux de tourillon d'une longueur égale à l'épaisseur totale du boitier (soit l'épaisseur du tasseau plus deux fois l'épaisseur de la planche de contreplaqué). Marquer le trait de découpe lors de chaque découpe pour compenser l'épaisseur du trait de scie. Exemple du prototype: planche CTP 5 mm, tasseau épaisseur 9 mm: tourillons de 9 + 2 x 5 = 19 mm de long. Couper 6 tourillons pour le capot du PV et deux ou 3 pour le capot du régulateur de charge.

Perçage et collage des tourillons

Au crayon, marquer les centres des perçages des tourillons à au moins 10 mm du bord des tasseaux par rapport au côté intérieur de la boîte. Principe: auto-alignement perçage - tourillon. Aligner la partie mobile du boitier (le capot) et le clouer en place avec des pointes en métal (clous) placés à l'endroit des perçages sans traverser le tasseau ; ôter un clou et percer à sa place avec le gabarit de perçage vertical (outil visible sur la photo) et la mêche à bois de 6 mm. Pour un perçage propre, placer la boite sur un support sacrifié (vieille planche) et percer de part en part le boîtier. Enfiler un tourillon dans le trou, sans le coller: il maintient ensemble les plaques bien alignées pour exécuter les autres perçages. Lorsque les perçages sont achevés, placer le boite sur une feuille de papier sulfurisé (la colle ne prend pas dessus) et coller les tourillons dans le tasseau et la plaque de CTP qui lui est collée.

Percage pour l'assemblage de la béquille de positionnement face au soleil

Quatre trous permettent de passer une ficelle pour créer une béquille avec le capot du générateur photovoltaïque. Marquer les perçages alignés avec les tourillons de manière à ce que le passage d'une ficelle dans les trous du capot du générateur et ces trous positionne le capot au milieu du boîtier (maximise la stabilité du boîtier une fois installé face au soleil). Soit dans cette réalisation: à 13 mm des perçages des quatre tourillons des coins de la cavité du PV. Percer le boîtier uniquement (pas le capot du générateur), de part en part, avec la mêche à bois de 6 mm et le gabarit de perçage vertical sur une planche sacrifiée.

Finition du boîtier

Avec un petit rabot de modélisme ou bien du papier de verre à gros grain (exemple: 40) dégrossir le travail: araser des éléments qui dépassent, arrondir les coins et les arêtes pour réduire le risque d'échardes ou d'endommagement d'un sac de transport par exemple. Finir le travail avec du papier de verre à gain fin (80 ou 120). Optionnellement, profiter de la surface propre obtenue pour vernir le boîtier et le protéger.

Régulateur: schéma et principe de fonctionnement

Régulateur: découpage de la platine à souder

Employer une platine en bakélite uniquement, pas en fibre de verre - époxy (FR4) car la découpe en est plus difficile et produit des poussières nocives. Avec un cutter marquer le trait de coupe. Repasser plusieurs fois pour former un sillon. Casser la platine suivant le sillon en la tordant.

Régulateur: dessin du plan de routage des composants

Régulateur: marquage + soudure des composants passifs

Avec un marqueur, marquer le placement des composants. Placer et souder les résistances. Il faut toujours commencer par les composants passifs (ici des résistances uniquement) car ils sont moins sensibles à la chaleur du fer à souder.

Régulateur: soudure des composants actifs

Confection des contacts de batterie

Ne pas souder pastille aimant sinon elle perd sa magnétisation. Souder le fil souple sur une rondelle en acier de 6 mm de diamètre extérieur. Poser un aimant pastille NdFeB (diamètre 3 mm, épaisseur 2 mm) du côté de la soudure. Avec le pistolet à colle, déposer une goutte pour enrober la soudure, le fil électrique souple, et l'aimant pastille NdFeB tout en laissant l'autre face de la rondelle libre pour le contact électrique. Un second aimant NdFeB plus gros reste mobile et complète le contact.

Assemblage final du chargeur dans le boîtier