Photographie » Technique: piles et accus » Accus » Interface

Vous avez une voiture et un frigo portable à compresseur. Mais comment connecter les deux. Vous avez évidemment la prise de l'allume-cigare, mais la connection n'est pas fiable. .

Lisez également la description du frigo Dometic CDF-18 et Dometic CFX-28 sur un site séparé.

Voici la liste des problèmes que vous pouvez rencontrer:

La fiche de l'allume-cigare est remplacée par une fiche XLR Neutrix NC3MXX et NC3FXX, voir exemple à droite. Il s'agit d'un connecteur standard qui est souvent utiisé dans la sonorisation (microphone), mais qui est également utilisé pour alimenter des haut-parleurs. Les fiches sont conçues pour un courant de 10A, qui est amplement suffisant ici. Nous utilisons des fiches XLR pour toutes les connections.

Le frigo stoppe dès que la tension d'alimentation tombe sous une certaine valeur (réglable). Mais si la batterie de la voiture n'est pas récente, cela peut suffire à empecher que la voiture puisse démarrer.

Pour alimenter le frigo, nous avons besoin d'une batterie auxiliaire comme dans les caravanes. Cela peut être un accu lithium-fer-phosphate, un accu NiMH ou un accu plomb-acide (les différences sont expliquées plus bas). Tous ces accus fournissent du 12V, mais ils ne peuvent pas directement être branchés ensemble sans interface qui va empècher qu'un accu lithium ne se vide dans un accu plomb-acide (ou d'autres choses désagréables).

Pour un frigo à compresseur, il faut une capacité minimale de 4Ah par heure de fonctionnement. Ceci est compté dans les circonstances les moins favorables, donc avec le compresseur qui travaille en permanence (par exemple parce qu'on a mis des bouteilles tièdes dans le frigo). Les meilleurs frigos comme le Dometic CFX-28 ont une consommation de 5Ah pour 5 heures de fonctionnement pour un ΔT de 40° une fois que les boissons sont refroidies.

Il ne faut pas utiliser de frigos à élément peltier, ces appareils ne refroidissemnt presque pas et ils n'ont pas de protection de la batterie. Dans une voiture chaude, la température des boissons atteint déjà 25° au bout de quelques heures (dans le "frigo" en fonctionnement). Le frigo à compresseur maintient parfaitement le 5°, même dans une voiture en plein soleil (température dans le coffre supérieure à 40°).

L'interface permet de connecter la batterie de la voiture avec le frigo, et il est possible de monter en plus deux accus supplémentaires (B1 et B2). L'interface permet d'utiliser des accus de technologie différente et même des accus dont la charge n'est pas identique. Si on connecte directement deux accus avec une charge différente, un fort courant d'égalisation va passer d'un accu à l'autre.

D3, D4 et D5 font que le frigo est alimenté par uen des trois sources. La source avec la tension la plus élevée va fournir le courant. Quand le moteur tourne, c'est principalement la batterie de la voiture, qui est constamment rechargée par l'alternateur. Une fois que le moteur est mis à l'arrêt, le courant est fourni par les différentes sources. Quand la batterie de la voiture est déconnectée, ce sont les batteries auxiliaires qui prennent la relève.

D1 et D2 permettent la recharge partielle des accus quand le moteur de la voiture tourne. La charge est limitée par les résistances R1 et R2. Le but n'est pas d'avoir un courant de charge trop important dès que le moteur de la voiture est mis en route.

Les accus auxiliaires peuvent être de technologie différente, voici l'effet concret:

Lithium Fer Phosphate
Ce sont actuellement les meilleures batteries pour ce genre d'application. On trouve différences capacités d'accus: 5Ah, 10Ah, 20Ah,... La capacité de 20Ah permet d'alimenter le frigo pendant plus de 24 heures. Ces batteries sont conçues pour plus de 1000 cycles de charge-décharge à 80%.

Ces accus ont une tension au repos un peu plus élevée de 13.1V. Le résultat pratique, c'est que l'accu est à peine rechargé quand le moteur tourne. Les voitures modernes avec une fonction start-stop (et batterie de démarrage gélifié) ne chargent la batterie principale que jusque 14.1V (à 25°). Si on tient compte de la tension aux bornes de la diode et de la résistance, le courant est limité à 1A quand le compresseur fonctionne et 3A compresseur à l'arrêt et batterie auxiliaire totalement déchargée. Nous utilisons une résistance de 0.1Ω (toutes les résitances ont une puissance de 5W).

NiMH (Nickel hydrure de métal)
Ce sont des batteries qui sont également bien adaptées. Elles ne sont pas aussi "flashy" que les accus LiFePo4, mais peuvent également être totalement déchargées. Elles pèsent un peu plus par Ah fourni, mais la taille est la même par Ah. Ici également on dispose de plusieurs capacités: de 2Ah pour les accus au format AA/R6 jusqu'à 10Ah pour le format D/R20. Ces accus n'ont pas besoin de circuit de protection (BMS). Il faut 10 éléments pour obtenir une tension de 12V.

La tension quand l'accu est chargé est d'un peu plus de 13V. Ici aussi, la recharge est minimale quand le moteur tourne. On utilise une résistance de protection de 0.15Ω pour limiter le courant quand l'accu est totalement déchargé. Quand on utilise une combinaison avec un accu lithium, c'est ce dernier qui est déchargé en premier à cause de sa tension un peu plus élevée. Ce n'est que quand l'accu lithium est à moitié déchargé que l'accu NiHM commence à fournir du courant.

Si vous disposez encore d'accus NiCd (ils sont encore fabriqués pour certaines applications où l'accu peut être totalement déchargé, comme les éclairages de secours), ils ont une tension au repos d'environ 100mV plus basse que celle des accus NiMH. Vous ne pouvez donc pas brancher deux accus NiCd et NiMH en parallèle: l'accu NiMH van se vider dans l'accu NiCd.

Accu plomb-acide gélifié
Ce sont les accus classiques utilisés pour les alimentations de secours et les alarmes, la capacité standard est de 7 ou 10Ah. Il n'est pas recommandé de vider complètement les accus et il faut les recharger rapidement après utilisation. Le nombre de cycles (décharge à 80%) est limité à 200 dans le meilleur des cas. La recharge dans la voiture est limitée à cause de la diode. Ce type d'accu est plus lourd et un peu plus volumineuxque les autres accus.

La tension chute pendant toute la décharge. Pendant cette décharge, l'accu va fournir du courant en dernier, quand l'accu lithium est vide ou que l'accu NiMH est pratiquement vide à cause des tensions différentes. Grace à la diode, l'accu lithium ne peut pas se décharger dans l'accu plomb-acide en cas d'une combinaison mixte. Ici aussi on prend une résistance de 0.15Ω pour limiter le courant à la charge.

Les diodes sont conçues pour un courant permanent de 15A, mais elles sont malgré tout montées sur un petit refroidisseur.

Diodes Schottky

Nous utilisons spécifiquement des diodes schottky (par exemple MBR1645 ou MBR1635) qui ont une chute de tension en conduction plus réduite que les diodes standard. La tension de seuil est de 0.45V sous 5A et 0.35V sous 1A. Les diodes schottky ont une chute de tension en conduction plus basse, mais elle dépend de la tension inverse maximale autorisée. Les diodes conçues pour une tension inverse de 200V ont une chute de tension trop élevée et cela ne sert à rien de les utiliser ici. Nous utilisons ici les diodes avec la tension inverse la plus basse possible, 35 ou 45V.

Les diodes schottky sont principalement utilisées dans les alimentations à commutation pour le redressement des tensions les plus basses (3.3 et 5V) à cause de leur tension de seuil assez basse, mais également parce qu'elles n'ont pas de pertes à la commutation. On n'utilise pas cet avantage ici, puisque nous travaillons avec du continu. Cela n'a aucun sens d'utiliser ici des diodes avec tension inverse élevée, cela réduit les caractéristiques des diodes.


Alternatives au diodes schottky

Mais les diodes schottky ont malgré tout une chute de tension, elle est d'environ 0.4V pour un courant de 3A pour une diode de forte puissance (une diode au silicium normale a dans les mêmes circonstances une chute de tension de 1V). Dans le cas de voitures avec batteries de type gel, cela veut dire que la tension de charge de l'accu (environ 13.8V à 10°C) est trop basse pour charger un accu lithium-fer-phosphate dont la tension au repos est de 13.3V. En pratique, le courant de charge est inférieur à 0.1A.

Utilisation d'un transistor mosfet, IGBT ou transistor classique

Une amélioration serait le remplacement des diodes schottky par un redresseur solid state, notament un mosfet, dont la résistance en conduction est de quelques mΩ. Même avec un courant de plus de 3A, la chute de tension n'est que de quelques mV. Le transistor doit être placé dans la ligne négative, les N-mosfet ayant de meilleures caractéristiques que les P-mosfet.

Mais tous les transistors mosfet ont ce qu'on appelle une diode parasite (body diode) anti-parallèle entre la source et le drain (conduisant quand le mosfet est polarisé inversément). Dans la plupart des applications, cette diode n'a aucun effet, mais ici le problème c'est que le mosfet ne peut pas conduire en sens inverse quand la tension de la batterie à charger est plus élevée que la tension de la source (par exemple quand le moteur de la voiture ne tourne pas).

Utiliser un IGBT n'apporte pas de solution, ces transistors ont une chute de tension en conduction correspondant à celle d'une diode (classique), la chute de tension est plus élevée que celle d'un mosfet. On se complique la vie pour un résultat moins bon qu'avec une diode schottky. Un IGBT (insulated gate bipolar transistor) se comporte comme un mosfet pour la partie entrée, et comme transistor classique pour la partie sortie. Certains IGBT ont également une diode anti-parallèle ce qui les élimine d'office. Ces transistors sont normalement conçus pour commuter des tensions élevées et ne sont pas vraiment à leur place ici.

Un transistor normal genre 2N3055 a une tension de saturation (entre émetteur et collecteur) de plus d'un volt pour un courant de 3A et n'est pas interessant. De plus, il lui faut un courant de base de 300mA pour le mettre totalement en conduction.

Le conjoncteur-disjoncteur vient à la rescousse

Finalement, il ne reste plus que le relais classique, déjà utilisé dans les anciennes voitures pour éviter que la batterie ne se vide via la dynamo quand le moteur ne tourne pas (où il porte le sympathique nom de conjoncteur-disjoncteur). Pour se conformer encore plus aux usages de l'époque, le commun est positif.

Le circuit est assez simple, il se compose par batterie secondaire d'un a-op, d'un transistor qui va amplifier le courant et d'un relais pour voiture. La résistance de 0.1Ω sert à limiter le courant et permet également une mesure du sens du courant quand le relais est fermé. La résistance ohmique de la bobine du relais est de 260Ω produisant une dissipation d'environ 120mW dans le transistor (le transistor n'entre pas en saturation).

Il est possible d'utiliser plusieurs batteries secondaires (4 avec un quad comme le LM124), l'entrée positive est communne à tous les amplis. Chaque batterie nécessite son propre relais, son transistor de commande et ses résistances (la partie commune est en vert).

La mesure de la tension se fait non pas par rapport à la masse, mais par rapport à une tension un peu plus élevée de 2V environ. Cela permet d'utiliser pratiquement tous les types d'a-ops et permet d'utiliser des diodes pour alimenter l'a-op avec la tension la plus élevée (= la plus négative). Le résultat de la résistance vers le positif, c'est que le contact du relais est fermé quand il n'y a pas de batterie branchée, c'est un inconvénient mineur, mais qui protège l'a-op.

Pour assurer une stabilité du circuit (éviter que les contacts ne vibrent), il est recommandé de mettre un petit condensateur de 10µF entre le positif (source) et l'entrée positive commune des a-ops.

Pour alimenter la charge (le frigo à compresseur), on en revient aux diodes schottky: une pour la source primaire et une par batterie auxiliaire. Ici la chute de tension aux bornes de la diode n'est pas importante. On perd environ 2W à la diode (et même moins, si plusieurs sources alimentent simultanément le frigo).

Transistor mosfet branché à l'envers

mais il existe encore une solution que nous n'avons pas décrite: c'est l'utilisation d'un transistor mosfet branché à l'envers, donc le drain à la place de la source. Quand la tension de charge est plus élevée que la tension de la batterie auxiliaire, le mosfet est polarisé en inverse et la diode parasite entre en conduction (chute de tension de 0.7V ou plus). La tension positive sur le gate va completement mettre le transistor en conduction et réduire la chute de tension à moins de 100mV. Un mosfet branché à l'envers (donc drain négatif) a une résistance interne un peu plus élevée que s'il est branché normalement (résistance ON normale: 10mΩ, branché en inverse 30mΩ)

Quand la tension de charge est plus basse que la tension des batteries auxiliaires, le transistor mosfet est polarisé normalement. La tension sur le gate est nulle et le transistor ne conduit pas.

Le positif pour les deux résistances de mesure est prélevé sur le positif à la batterie même, non pas pour avoir une meilleure référence, mais pour éviter que la led correspondante s'allume quand il n'y a pas de batterie à cet endroit. Si le pont de résistances est connecté au positof commun, la led s'allume car la résistance de 18k produit une tension plus élevée sur l'entrée + de l'a-op. Quand il n'y a pas de batterie, la résistance est en l'air et la tension de l'a-op est tirée vers le 0V de l'a-op par la résistance de 220kΩ. Cette résistance fait également que le mosfet n'entre en conduction que quand la tension d'alimentation est plus élevée que la tension de la batterie auxiliaire correspondante.

Les composants qui servaient à assurer la stabilité du circuit quand il était fait usage de relais ont été éliminés. Un petit condensateur de 1µF empche que le mosfet de commutation ne fonctionne en mode linéaire. Quand les deux tensions sont pratiquement identiques, le mosfet commute à une fréquence de 10Hz. Quand les tensions sont pratiquement identiques, le courant qui circule dans le transistor est très faible, moins de 0.1A

Le mosfet est un IRFB8409 qui est spécialement conçu pour ce genre d'applications où un courant très important peut circuler.

Les diodes schottky sont des MBR1035 (10A, 35V, la chute de tension est de 0.46V pour un courant de 4.7A).

Le refroidisseur pour tous les semi-conducteurs fait 5 × 5cm.

L'évolution de la consommation électrique (courant en vert) et de la charge de l'accu en orange. La batterie a continué d'être chargée pendant une excursion avec plusieurs stops, ce qui n'était pas le cas avec le système à diodes schottky ou la décharge était en moyenne plus importante que la charge.

Le courant de charge maximal est maintenant de 3.9A maximum, alors qu'il était d'environ 0.5A avec les diodes quand il faisait chaud. Le courant de décharge est d'environ 2A quand le moteur ne tourne pas et d'environ 0.6A quand il tourne. Il n'y a pas eu de mesure pendant une partie de l'xcursion, entre 9 et 15h).

Egalisateur de charge

Index des schémas électroniques

Pages qui selon Google pourraient vous interesser