Les batteries rechargeables sont les composants fondamentaux des systèmes de stockage d’énergie par batterie (BESS). De nos jours, de plus en plus de systèmes chimiques différents sont combinés dans des packs de batteries composés de dizaines, de centaines, voire de milliers de cellules, permettant ainsi un fonctionnement plus efficace à des tensions plus élevées. Pour les concepteurs de systèmes de gestion de batterie (BMS), cette structure de conception est confrontée à de nombreux défis pour atteindre des performances, une efficacité, une fiabilité et une sécurité optimales.
Par exemple, la conception ou la sélection de circuits intégrés (CI) qui répondent aux exigences des applications nécessitent une compréhension approfondie de la chimie des batteries, de la charge, de la surveillance, de l'équilibrage de charge, de l'isolation, de la sécurité et des technologies de communication pour garantir une mise en œuvre efficace.
À cette fin, les fournisseurs ont intégré de nombreuses fonctions nécessaires dans des circuits intégrés dédiés qui sont essentiellement indépendants des processeurs. De nombreux modèles de ce type de circuit intégré prennent non seulement en charge plusieurs systèmes chimiques de batterie à base de lithium, mais sont également compatibles avec des cellules de batterie sans lithium. Ce type de circuit intégré collecte les données des cellules de la batterie et prend des décisions et des actions optimales en temps réel en matière de gestion de la batterie. De plus, ces types de circuits intégrés fournissent également des données au processeur système concernant l'état des cellules de la batterie et l'état de fonctionnement.
Cet article présentera brièvement les exigences techniques uniques des groupes multi-cellules. Ensuite, présentez les circuits intégrés optimisés spécialisés avancés d'Analog Devices et expliquez comment utiliser ces circuits intégrés pour répondre aux exigences ci-dessus.
Plusieurs cellules de batterie apporteront plus de défis
Le schéma de circuit de base d'une batterie peut sembler simple, mais il comprend en réalité plusieurs cellules de batterie qui obtiennent une tension plus élevée grâce à une connexion en série et un courant plus important grâce à une connexion en parallèle. Cela signifie que de telles configurations ne sont qu'une simple extension de packs de batteries à une ou plusieurs cellules, ne nécessitant pratiquement aucune gestion supplémentaire. Cette batterie multicellulaire convient aux outils électriques qui nécessitent 18 V ou 48 V, aux véhicules électriques (VE) qui nécessitent 400 V ou 800 V et aux systèmes BESS qui nécessitent généralement 1 500 V.
La situation réelle de ces batteries plus grandes est que leurs détails et leur complexité dépassent de loin ce qui est indiqué dans leurs schémas de circuit. À mesure que le nombre de cellules et de batteries augmente, la difficulté de relever ces défis augmente de façon exponentielle.
Tout d’abord, il est nécessaire de surveiller la cellule de batterie pour suivre sa tension aux bornes, sa courbe de charge et de décharge, son état de charge (SoC), sa température et ses caractéristiques de précurseur de défaut. De plus, il est nécessaire de gérer uniformément les différentes cellules de batterie, d’enregistrer et de prendre en compte leurs différences.
L’absence d’un ensemble de règles universelles augmentera encore la complexité de la gestion des cellules de batterie. De plus, la pertinence de la stratégie de gestion adoptée dépend des caractéristiques chimiques des éléments des batteries. Les stratégies de gestion adoptées pour différents systèmes chimiques majeurs sont différentes (comme les batteries lithium-ion (Li-ion) et plomb-acide), et au sein d'un même système chimique généralisé (comme diverses formulations de batteries Li-ion), les stratégies de gestion utilisées sont également différentes. Par conséquent, les stratégies avancées de gestion du BMS doivent être personnalisées en fonction des caractéristiques chimiques des cellules de batterie gérées.
En raison du grand nombre de cellules de batterie contenues dans des packs de batteries haute tension et haute capacité, qui doivent répondre à de nombreuses normes de sécurité, la surveillance et la gestion des cellules de batterie locales constituent actuellement la solution technique la plus réalisable. Bien que le système soit généralement équipé d'un processeur principal, il ne peut généralement émettre que des instructions réglementaires avancées pour la surveillance locale des cellules et évaluer les performances globales de la batterie. La surveillance et la gestion d'une seule cellule de batterie sont réalisées par un système électronique autonome qui fournit une fonctionnalité en temps réel et fonctionne principalement sans nécessiter l'intervention du processeur au niveau du système.
Équilibrage passif et actif de la batterie
L'équilibre des cellules est particulièrement important pour maintenir l'intégrité de plusieurs groupes de cellules, garantir que certaines cellules ne soient pas endommagées en raison d'une surcharge et éviter que d'autres batteries ne restent inutilisées en raison d'une faible utilisation. L'équilibrage des cellules peut éviter d'endommager les cellules et les batteries, maximisant ainsi les performances. L'équilibrage des cellules garantit que toutes les cellules de la batterie atteignent simultanément leur capacité maximale, évitant ainsi la surcharge, le déséquilibre du SoC, la décharge excessive et le vieillissement prématuré, prolongeant ainsi la durée de vie de la batterie.
Il existe deux méthodes d’équilibrage cellulaire : l’équilibrage actif et passif. L'égalisation active est plus précise et plus rapide que l'égalisation passive, mais elle est plus complexe à mettre en œuvre. L'équilibrage actif utilise la technologie des circuits actifs pour redistribuer la charge entre chaque cellule de la batterie, garantissant ainsi que le SoC de toutes les cellules reste cohérent. Ce circuit surveille la tension de chaque cellule de batterie et ajuste les courants de charge et de décharge en conséquence en fonction des résultats de la surveillance.
En revanche, l'équilibrage passif repose sur la loi d'Ohm et sur des résistances d'équilibrage pour ajuster la cellule au même état du SoC. En plus d'une faible précision et d'une vitesse lente, l'équilibrage passif peut également dissiper (gaspiller) l'énergie excédentaire dans les cellules de batterie à haute capacité.
À partir de la surveillance multicellulaire
Bien qu'il existe déjà un grand nombre de solutions ESS sur le marché, les deux fonctions frontales principales du BMS résident toujours dans la surveillance et l'équilibrage des cellules de batterie. Le circuit intégré ADES1830CCSZ illustré à la figure 1, en tant que moniteur de batterie à 16 canaux, multi-cellules et multi-systèmes chimiques, remplit non seulement les fonctions ci-dessus, mais intègre également de nombreuses fonctionnalités clés qui contribuent à simplifier la conception et le fonctionnement global du système.
Moniteur de cellules ADES1830CCSZ d'Analog Devices avec plusieurs cellules et systèmes chimiques (cliquez pour agrandir)
Figure 1 : Le moniteur de cellules ADES1830CCSZ avec plusieurs cellules et plusieurs systèmes chimiques est utilisé comme élément de base d'un BMS complet. (Source de l'image : Appareils analogiques)
Ce moniteur de groupes multi-cellules peut mesurer jusqu'à 16 cellules connectées en série, avec une erreur de mesure totale (TME) inférieure à 2 mV sur toute la plage de température ; tandis que le TME des autres ADES1831CCSZ avec les mêmes spécifications est légèrement plus élevé, à 5 mV. La plage d'entrée de mesure de -2 V à 5,5 V rend les ADES1830 et ADES1831 adaptés à la plupart des matériaux chimiques des batteries.
Afin de maintenir la cohérence lors de la surveillance des packs de batteries contenant un grand nombre de cellules, toutes les cellules peuvent être mesurées de manière redondante et synchrone via deux convertisseurs analogique-numérique (CAN) intégrés. Ces convertisseurs analogique-numérique (CAN) fonctionnent en continu à un taux d'échantillonnage élevé de 4,096 mégaéchantillons par seconde (MSPS), réduisant ainsi l'utilisation de filtres analogiques externes et obtenant des résultats de mesure sans alias. Si nécessaire, une réduction supplémentaire du bruit peut être obtenue grâce à des filtres à réponse impulsionnelle infinie (IIR) programmables en aval. ADES1830 et ADES1831 disposent également d'une fonction d'équilibrage passif, obtenue grâce à un contrôle indépendant du cycle de service par modulation de largeur d'impulsion (PWM), et prennent en charge un courant de décharge allant jusqu'à 300 mA par cellule.
Bien qu'un seul appareil ADES1830 ou ADES1831 ne prenne en charge que 16 cellules en série, plusieurs appareils peuvent être mis en cascade pour surveiller simultanément les cellules d'une batterie haute tension à longue chaîne. Pour réaliser l'interconnexion entre les puces IC, chaque appareil est équipé d'une interface de port série isolée (isoSPI), qui est électriquement isolée via des condensateurs ou des transformateurs sélectionnés par l'utilisateur pour obtenir une communication longue distance à haut débit capable de résister aux interférences de radiofréquence.
Grâce à cette méthode, une seule connexion au processeur principal peut lire les données et surveiller l’intégralité de la chaîne de batterie. Cette liaison de port série permet une communication bidirectionnelle, garantissant l'intégrité des données même en cas de panne du chemin de communication.
Pour optimiser l'applicabilité de ces détecteurs multicellules, Analog Devices a lancé la carte d'évaluation EV-ADES1830CCSZ (Figure 2, à gauche). Afin d'être plus proche de la réalité, plusieurs cartes d'évaluation peuvent être connectées via l'interface isoSPI pour surveiller une longue chaîne de cellules dans la batterie (sur le côté droit de la figure 2).