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Architecture du système de gestion de la batterie
Un système de gestion de batterie (BMS) se compose généralement de plusieurs blocs fonctionnels, y compris des émetteurs à effet de champ (FET), un moniteur de jauge de carburant, un moniteur de tension de cellule, un équilibre de tension de cellule, une horloge en temps réel, des moniteurs de température et un machine d'état(Fig. 1). Plusieurs types de CI BMS sont disponibles.
Le regroupement de blocs fonctionnels varie considérablement d'un simple frontal analogique, tel que l'ISL94208 qui offre l'équilibrage et la surveillance et nécessite un microcontrôleur, à une solution intégrée autonome qui s'exécute de manière autonome (par exemple, l'ISL94203). Examinons maintenant l'objectif et la technologie derrière chaque bloc, ainsi que les avantages et les inconvénients de chaque technologie.
FET de coupure et pilote FET
Un bloc fonctionnel FET-driver est responsable de la connexion et de l'isolement du bloc-batterie entre la charge et le chargeur. Le comportement du pilote FET est basé sur les mesures des tensions des cellules de batterie, les mesures de courant et les circuits de détection en temps réel. La figure 2 illustre deux types différents de connexions FET entre la charge et le chargeur, et le bloc-batterie.
La figure 2A nécessite le plus petit nombre de connexions au bloc-batterie et limite les modes de fonctionnement du bloc-batterie à charge, décharge ou veille. Le sens du flux actuel et le comportement d'un test en temps réel spécifique déterminent l'état de l'appareil.
2. Les schémas FET de coupure sont illustrés pour une connexion unique entre la charge et le chargeur (A), et une connexion à deux bornes qui permet une charge et une décharge simultanées (B).
Par exemple, l'ISL94203 dispose d'un moniteur de canal (CHMON) qui surveille la tension sur le côté droit des FET de coupure. Si un chargeur est connecté et que le pack batterie en est isolé, le courant injecté vers le pack batterie fera monter la tension jusqu'à la tension d'alimentation maximale du chargeur. Le niveau de tension à CHMON est déclenché, ce qui permet au dispositif BMS de savoir qu'un chargeur est présent. Pour déterminer une connexion de charge, un courant est injecté dans la charge pour déterminer si une charge est présente. Si la tension au niveau de la broche n'augmente pas de manière significative lors de l'injection de courant, le résultat détermine qu'une charge est présente. Le DFET du pilote FET s'allume alors. Le schéma de connexion de la figure 2B permet au bloc-batterie de fonctionner pendant la charge.
Les pilotes FET peuvent être conçus pour se connecter au côté haut ou bas d'une batterie. Une connexion côté haut nécessite un pilote de pompe de charge pour activer les FET NMOS. Lorsque vous utilisez un pilote high-side, cela permet une référence de masse solide pour le reste du circuit. Des connexions de pilote FET côté bas sont présentes dans certaines solutions intégrées pour réduire les coûts, car elles n'ont pas besoin de pompe de charge. Ils ne nécessitent pas non plus de dispositifs haute tension, qui consomment une plus grande surface de matrice. L'utilisation des FET de coupure sur le côté bas fait flotter la connexion à la terre de la batterie, la rendant plus sensible au bruit injecté dans la mesure. Cela affecte les performances de certains circuits intégrés.
Mesures de jauge de carburant/courant
Le bloc fonctionnel de jauge de carburant garde une trace de la charge entrant et sortant du bloc-batterie. La charge est le produit du courant et du temps. Plusieurs techniques différentes peuvent être utilisées lors de la conception d'une jauge de carburant.
Un amplificateur de détection de courant et un MCU avec un convertisseur analogique-numérique (CAN) basse résolution intégré constituent une méthode de mesure de courant. L'amplificateur de détection de courant, qui fonctionne dans des environnements à mode commun élevé, amplifie le signal, permettant des mesures à plus haute résolution. Cette technique de conception sacrifie cependant la plage dynamique.
D'autres techniques utilisent un CAN haute résolution ou un coûteux CI de jauge à carburant. La compréhension de la consommation actuelle du comportement de la charge en fonction du temps détermine le meilleur type de conception de jauge de carburant.
La solution la plus précise et la plus économique consiste à mesurer la tension aux bornes d'une résistance de détection à l'aide d'un CAN 16 bits ou supérieur avec un faible décalage et une valeur nominale élevée en mode commun. Un CAN haute résolution offre une large plage dynamique au détriment de la vitesse. Si la batterie est connectée à une charge erratique, telle qu'un véhicule électrique, l'ADC lent peut manquer des pointes de courant de haute amplitude et haute fréquence délivrées à la charge.
Pour les charges erratiques, un CAN à registres approximatifs successifs (SAR) avec peut-être un amplificateur de détection de courant frontal peut être plus souhaitable. Toute erreur de décalage affecte l'erreur globale dans la quantité de charge de la batterie. Les erreurs de mesure au fil du temps entraîneront des erreurs significatives d'état de charge de la batterie. Un décalage de mesure de 50 µV ou moins avec une résolution de 16 bits est suffisant pour mesurer la charge.
Tension des cellules et optimisation de la durée de vie de la batterie
La surveillance de la tension de chaque cellule d'un bloc-batterie est essentielle pour déterminer son état de santé général. Toutes les cellules ont une fenêtre de tension de fonctionnement où la charge/décharge doit avoir lieu pour assurer un fonctionnement correct et une durée de vie de la batterie. Si une application utilise une batterie avec une chimie au lithium, la tension de fonctionnement se situe généralement entre 2,5 et 4,2 V. La plage de tension dépend de la chimie. Faire fonctionner la batterie en dehors de la plage de tension réduit considérablement la durée de vie de la cellule et peut la rendre inutilisable.
Les cellules sont connectées en série et en parallèle pour former une batterie. Une connexion parallèle augmente l'entraînement actuel de la batterie, tandis qu'une connexion en série augmente la tension globale. Les performances d'une cellule ont une distribution : à un temps égal à zéro, les taux de charge et de décharge de la cellule de la batterie sont les mêmes. Au fur et à mesure que chaque cellule passe de la charge à la décharge, les taux de charge et de décharge de chaque cellule changent. Il en résulte une distribution étalée sur un bloc-batterie.
Un moyen simple de déterminer si une batterie est chargée est de surveiller la tension de chaque cellule à un niveau de tension défini. La première tension de cellule à atteindre la limite de tension déclenche la limite de charge du bloc-batterie. Une batterie de cellules plus faible que la moyenne fait que la cellule la plus faible atteint la limite en premier, empêchant le reste des cellules de se charger complètement.
Un schéma de charge, tel que décrit, ne maximise pas le temps d'activation de la batterie par charge. Le schéma de charge réduit la durée de vie de la batterie car elle nécessite plus de cycles de charge et de décharge. Une cellule plus faible se décharge plus rapidement. Le se produit également sur le cycle de décharge; la cellule la plus faible déclenche la limite de décharge en premier, laissant le reste des cellules avec une charge restante.
Il existe deux façons d'améliorer le temps d'activation par charge de la batterie. La première consiste à ralentir la charge vers la cellule la plus faible pendant le cycle de charge. Ceci est réalisé en connectant un FET de dérivation avec une résistance de limitation de courant à travers la cellule(Illustration 3A). Il prend le courant de la cellule avec le courant le plus élevé, ce qui entraîne un ralentissement de la charge de la cellule. En conséquence, les autres cellules de la batterie sont capables de rattraper leur retard. L'objectif ultime est de maximiser la capacité de charge de la batterie en faisant en sorte que toutes les cellules atteignent simultanément la limite de pleine charge.
3. Les FET d'équilibrage des cellules de dérivation aident à ralentir le taux de charge d'une cellule pendant le cycle de charge (A). L'équilibrage actif est utilisé pendant le cycle de décharge pour voler la charge d'une cellule forte et donner la charge à une cellule faible (B).
La deuxième méthode consiste à équilibrer le bloc-batterie sur le cycle de décharge en mettant en œuvre un schéma de charge-déplacement. Il est obtenu en prenant la charge via un couplage inductif ou un stockage capacitif à partir de la cellule alpha et en injectant la charge stockée dans la cellule la plus faible. Cela ralentit le temps qu'il faut à la cellule la plus faible pour atteindre la limite de décharge, autrement connue sous le nom d'équilibrage actif(Fig. 3B).
Surveillance de la température
Les batteries d'aujourd'hui fournissent beaucoup de courant tout en maintenant une tension constante. Cela peut entraîner un emballement qui provoque l'incendie de la batterie. Les produits chimiques utilisés pour construire une batterie sont très volatils – une batterie empalée avec le bon objet peut également faire prendre feu à la batterie. Les mesures de température ne sont pas seulement utilisées pour la sécurité, elles peuvent également déterminer s'il est souhaitable de charger ou de décharger une batterie.
Des capteurs de température surveillent chaque cellule pour les applications de système de stockage d'énergie (ESS) ou un groupe de cellules pour des applications plus petites et plus portables. Les thermistances alimentées par une référence de tension ADC interne sont couramment utilisées pour surveiller la température de chaque circuit. De plus, une référence de tension interne permet de réduire les imprécisions de la lecture de la température par rapport aux changements de température environnementale.
Machines à états ou algorithmes
La plupart des systèmes BMS nécessitent un microcontrôleur (MCU) ou un réseau de portes programmable sur site (FPGA) pour gérer les informations provenant des circuits de détection, puis prendre des décisions avec les informations reçues. Dans certains appareils, tels que l'ISL94203, un algorithme codé numériquement permet une solution autonome avec une seule puce. Les solutions autonomes sont également utiles lorsqu'elles sont couplées à un MCU, car la machine d'état autonome peut être utilisée pour libérer des cycles d'horloge MCU et de l'espace mémoire.
Autres blocs de construction BMS
D'autres blocs BMS fonctionnels peuvent inclure l'authentification de la batterie, l'horloge temps réel (RTC), la mémoire et la connexion en guirlande. Le RTC et la mémoire sont utilisés pour les applications de type boîte noire - le RTC est utilisé comme horodatage et la mémoire est utilisée pour stocker les données. Cela permet à l'utilisateur de connaître le comportement de la batterie avant un événement catastrophique. Le bloc d'authentification de la batterie empêche la connexion de l'électronique du BMS à un bloc-batterie tiers. La référence/régulateur de tension est utilisé pour alimenter les circuits périphériques autour du système BMS. Enfin, des circuits en guirlande sont utilisés pour simplifier la connexion entre les appareils empilés. Le bloc en guirlande remplace le besoin de coupleurs optiques ou d'autres circuits de décalage de niveau.