Le moniteur de batterie maximise les performances des batteries des véhicules électriques

Le BMS peut améliorer l'efficacité opérationnelle des batteries de véhicules électriques

Un BMS avancé peut aider les véhicules électriques à extraire efficacement une quantité significative de charge du pack de batteries pendant le fonctionnement. Il peut mesurer avec précision l'état de charge (SOC) de la batterie pour prolonger la durée de fonctionnement de la batterie, réduire le poids ou améliorer la sécurité de la batterie, ce qui implique d'éviter les surcharges électriques sous forme de décharge profonde, de surchargement, de surintensité et de stress thermique.   La fonction principale du BMS est de surveiller les paramètres physiques pendant le fonctionnement de la batterie, en veillant à ce que chaque cellule individuelle du pack de batteries reste dans sa zone de fonctionnement sûre (SOA). Il surveille les courants de charge et de décharge, les tensions des cellules individuelles et la température globale du pack de batteries. Sur la base de ces valeurs, il garantit non seulement le fonctionnement sûr de la batterie, mais facilite également les calculs de SOC et d'état de santé (SOH).   Une autre fonction essentielle assurée par le BMS est l'équilibrage des cellules. Dans un pack de batteries, les cellules individuelles peuvent être connectées en parallèle ou en série pour atteindre la capacité et la tension de fonctionnement souhaitées (jusqu'à 1 kV ou plus). Les fabricants de batteries tentent de fournir des cellules identiques pour le pack de batteries, mais atteindre une uniformité parfaite n'est pas physiquement réalisable. Même de petites différences peuvent entraîner des variations dans les niveaux de charge ou de décharge, et la cellule la plus faible du pack de batteries peut avoir un impact significatif sur les performances globales. Un équilibrage précis des cellules est une fonctionnalité essentielle du BMS, garantissant un fonctionnement sûr du système de batteries à sa capacité maximale.

Le BMS sans fil élimine le câblage de communication, réduisant la complexité

Les batteries des véhicules électriques sont composées de plusieurs cellules connectées en série. Un pack de batterie typique, avec 96 cellules en série, génère plus de 400 V lorsqu'il est chargé à 4,2 V. Plus il y a de cellules dans le pack de batterie, plus la tension obtenue est élevée. Bien que les courants de charge et de décharge soient identiques pour toutes les cellules, il est nécessaire de surveiller la tension de chaque cellule.   Pour répondre au grand nombre de batteries nécessaires aux systèmes automobiles haute puissance, les cellules de batterie sont souvent divisées en plusieurs modules et réparties dans tout l’espace disponible dans le véhicule. Un module typique est composé de 10 à 24 cellules et peut être assemblé dans différentes configurations pour s’adapter aux diverses plateformes de véhicules. La conception modulaire constitue la base des packs de batteries volumineux, permettant au pack de batterie d’être réparti sur une plus grande surface, optimisant ainsi l’utilisation de l’espace de manière plus efficace.   Afin de prendre en charge une topologie modulaire distribuée dans l’environnement à fort EMI des véhicules électriques/hybrides, un système de communication robuste est essentiel. Le bus CAN isolé est adapté à l’interconnexion des modules dans cet environnement. Bien que le bus CAN offre un réseau complet pour l’interconnexion des modules de batterie dans les applications automobiles, il nécessite de nombreux composants supplémentaires, entraînant une augmentation des coûts et de l’espace sur les cartes de circuits. De plus, si les systèmes de gestion de batterie modernes (BMS) adoptent des connexions filaires, cela comporte des inconvénients importants. Le câblage devient un problème complexe car les fils doivent être routés vers différents modules, ajoutant du poids et de la complexité. Les fils sont également susceptibles de capter des interférences, ce qui nécessite un filtrage supplémentaire.   Le système BMS sans fil est une architecture novatrice qui élimine le besoin de câblage de communication. Dans un BMS sans fil, l’interconnexion entre chaque module est réalisée via des connexions sans fil. La connexion sans fil dans les packs de batteries volumineux contenant de nombreuses cellules réduit la complexité du câblage, diminue le poids, abaisse les coûts et améliore la sécurité et la fiabilité. Cependant, la communication sans fil rencontre des défis dans les environnements avec fortes EMI et des obstacles à la propagation des signaux causés par des composants métalliques de blindage RF.

Les réseaux sans fil intégrés peuvent améliorer la fiabilité et la précision

Le réseau sans fil intégré SmartMesh® introduit par ADI a été validé sur site dans des applications de l'Internet des objets industriel (IoT). Il atteint une redondance grâce à l'utilisation de la diversité des chemins et des fréquences, offrant des connexions avec une fiabilité dépassant 99,999 % dans des environnements exigeants tels que les contextes industriels et automobiles.   En plus d'améliorer la fiabilité grâce à la création de multiples points de connexion redondants, les réseaux maillés sans fil étendent également les fonctionnalités des systèmes de gestion de batteries (BMS). Le réseau sans fil SmartMesh permet une disposition flexible des modules de batterie et améliore le calcul des états de charge (SOC) et de santé (SOH) des batteries. Cela est réalisé en collectant plus de données à partir de capteurs installés dans des emplacements auparavant inadéquats pour le câblage. SmartMesh fournit également des résultats de mesure corrélés dans le temps à partir de chaque nœud, permettant une collecte de données plus précise.   ADI a intégré le moniteur de pile de batteries LTC6811 avec la technologie de réseau SmartMesh d'ADI, représentant une avancée significative. Cette intégration pourrait améliorer la fiabilité des ensembles de batteries multi-éléments de grande taille dans les véhicules électriques et hybrides tout en réduisant les coûts, le poids et la complexité du câblage.   Le LTC6811 est un moniteur de pile de batteries conçu pour des applications de batteries multi-éléments. Il peut mesurer la tension de jusqu'à 12 cellules connectées en série avec une erreur totale de mesure inférieure à 1,2 mV. La mesure des 12 cellules peut être effectuée en 290 μs, et un taux d'acquisition de données plus faible peut être sélectionné pour une réduction élevée du bruit. Le LTC6811 dispose d'une plage de mesure de batterie de 0V à 5V, adaptée à la plupart des applications de chimie de batterie. Plusieurs appareils peuvent être connectés en série pour surveiller simultanément de longues piles de batteries haute tension. L'appareil comprend un équilibrage passif pour chaque cellule, et l'échange de données s'effectue de part et d'autre d'une barrière d'isolation, compilé par le contrôleur du système. Le contrôleur est responsable du calcul du SOC, du contrôle de l'équilibrage des batteries, de la vérification du SOH et de la garantie que l'ensemble du système reste dans des limites de sécurité.   De plus, plusieurs appareils LTC6811 peuvent être connectés en série, permettant la surveillance simultanée de longues piles de batteries haute tension. Chaque LTC6811 dispose d'une interface isoSPI pour une communication à distance rapide et résistante aux interférences RF. Lors de l'utilisation du LTC6811-1, plusieurs appareils sont connectés en série, et tous les appareils partagent une seule connexion au processeur hôte. Lors de l'utilisation du LTC6811-2, plusieurs appareils sont connectés en parallèle au processeur hôte, et chaque appareil est adressé individuellement.   Le LTC6811 peut être alimenté directement à partir de la pile de batteries ou d'une source d'alimentation isolée et comprend un équilibrage passif pour chaque cellule de batterie, ainsi qu'un contrôle individuel du cycle de service PWM pour chaque cellule. Parmi les autres fonctionnalités figurent un régulateur intégré de 5V, 5 lignes d'E/S (entrées/sorties) polyvalentes et un mode veille (où la consommation de courant est réduite à 4 μA).

L'équilibrage des cellules est utilisé pour optimiser la capacité et les performances de la batterie

L'équilibrage des cellules a un impact significatif sur les performances des batteries car, même avec une fabrication et une sélection précises, des différences subtiles peuvent émerger entre elles. Tout déséquilibre de capacité entre les cellules peut entraîner une réduction de la capacité globale du pack de batteries. De toute évidence, la cellule la plus faible de la pile dominera les performances de l'ensemble du pack de batteries. L'équilibrage des cellules est une technique qui aide à résoudre ce problème en égalisant la tension et l'état de charge (SOC) entre les cellules lorsque la batterie est entièrement chargée.   La technologie d'équilibrage des cellules peut être divisée en types passifs et actifs. Lorsqu'on utilise un équilibrage passif, si une cellule est surchargée, la charge excédentaire est dissipée dans une résistance. En général, un circuit de dérivation est utilisé, composé d'une résistance et d'un MOSFET de puissance utilisé comme interrupteur. Lorsque la cellule est surchargée, le MOSFET est fermé, dissipant l'énergie excédentaire dans la résistance. Le LTC6811 utilise un MOSFET intégré pour contrôler le courant de charge de chaque cellule surveillée, équilibrant ainsi chaque cellule surveillée. Le MOSFET intégré permet un design compact et peut répondre à une exigence de courant de 60 mA. Pour des courants de charge plus élevés, un MOSFET externe peut être utilisé. L'appareil fournit également une minuterie pour ajuster le temps d'équilibrage.   Par contre, l'équilibrage actif consiste à redistribuer l'énergie excédentaire entre les autres cellules du module. Cette approche permet une récupération d'énergie et une génération de chaleur réduite, mais son inconvénient est qu'elle exige une conception matérielle plus complexe.   ADI a introduit une architecture utilisant le LT8584 pour atteindre un équilibrage actif des batteries. Cette architecture dérive activement le courant de charge et renvoie l'énergie au pack de batteries, répondant aux problèmes associés aux équilibreurs passifs par dérivation. L'énergie n'est pas dissipée sous forme de chaleur, mais est réutilisée pour recharger les batteries restantes de la pile. L'architecture de cet appareil traite également un problème où une ou plusieurs cellules de la pile atteignent un seuil de tension sûr bas avant que la capacité totale de la pile ne soit épuisée, ce qui entraîne une diminution de l'autonomie. Seul l'équilibrage actif peut redistribuer la charge des cellules plus fortes vers les plus faibles, permettant aux cellules faibles de continuer à alimenter la charge et d'extraire un pourcentage plus élevé d'énergie du pack de batteries. La topologie flyback permet de déplacer la charge entre deux points quelconques du pack de batteries. Dans la plupart des applications, la charge est renvoyée au module de batterie (12 cellules ou plus), tandis que dans d'autres applications, la charge est renvoyée à l'ensemble de la pile de batteries ou aux rails d'alimentation auxiliaires.   Le LT8584 est un convertisseur DC/DC flyback monolithique conçu spécifiquement pour l'équilibrage actif des packs de batteries haute tension. La haute efficacité du régulateur à découpage augmente considérablement le courant d'équilibrage réalisable tout en réduisant la dissipation de chaleur. De plus, l'équilibrage actif permet une récupération de capacité dans les piles de batteries déséquilibrées, une fonctionnalité inaccessible avec les systèmes d'équilibrage passif. Dans les systèmes typiques, plus de 99% de la capacité totale des batteries peut être atteinte.   Le LT8584 dispose d'un interrupteur de puissance intégré de 6A, 50V, réduisant la complexité de conception du circuit applicatif. L'appareil fonctionne entièrement en s'appuyant sur les cellules qu'il décharge, éliminant ainsi le besoin de schémas de polarisation complexes généralement requis lors de l'utilisation d'interrupteurs de puissance externes. La broche d'activation (DIN) est conçue pour coordonner parfaitement avec les circuits intégrés de surveillance de pile de batteries de la série LTC680x. De plus, lorsqu'ils sont utilisés conjointement avec les appareils de la série LTC680x, le LT8584 fournit des fonctions de télémétrie du système, y compris la surveillance du courant et de la température. Lorsqu'il est désactivé, le LT8584 consomme généralement moins de 20nA de courant statique total provenant de la batterie.

Conclusion

La clé des véhicules à faibles émissions réside dans l'électrification, mais elle nécessite également une gestion intelligente des sources d'énergie (telles que les batteries lithium-ion). Une gestion incorrecte pourrait rendre le pack batterie peu fiable, réduisant considérablement la sécurité du véhicule. L'équilibrage actif et passif des batteries contribue à une gestion sûre et efficace des batteries. Les modules de batterie distribués sont faciles à prendre en charge et peuvent transmettre des données de manière fiable au contrôleur BMS, que ce soit par des moyens filaires ou sans fil, permettant des calculs fiables de SOC et de SOH. ADI propose une gamme complète de composants BMS pouvant aider les clients à accélérer le développement du BMS, assurant une gestion plus efficace de l'efficacité opérationnelle et de la sécurité des batteries de véhicules électriques.