Composants inductifs pour plus de sécurité dans la zone grise

Posted By : Victoria Chercasova
Composants inductifs pour plus de sécurité dans la zone grise

Les batteries lithium-ion sont des éléments rechargeable soumis à des risques d’explosion qu’il convient de manipuler avec précaution, surtout en cas de surcharge ou de sous-charge lorsque les cellules travaillent en « zone grise ». Plus le pack de batteries est complexe et grand, plus cette tâche s’avère compliquée. Des composants inductifs spécialement conçus pour les systèmes de gestion des batteries vous aident à relever le défi.

De nombreux appareils électroniques portables fonctionnent avec un système de gestion de batterie (battery management system, BMS) ultra développé. Dans les véhicules électriques et hybrides rechargeables, ces BMS sont nettement plus complexes, surtout dans le réseau de bord haute tension. La sécurité de la séparation galvanique sur les piles de batteries en cascade avec des tensions de mode commun élevées représente une fonction majeure.

Pour l’équilibrage des cellules de grands packs de batteries, il faut souvent développer de nouvelles technologies de circuit et des méthodes de détection plus précises. L’isolation des différents blocs fonctionnels joue également un rôle déterminant afin de protéger les systèmes sensibles contre l’énergie élevée des batteries. Les constructeurs ont donc développé des composants inductifs tels que des transformateurs d’isolation ou encore des selfs de mode commun spécialement pour ces applications. Ces composants améliorent nettement la sécurité et le fonctionnement général des packs de batteries et donc aussi du véhicule.

Aspects critiques

Deux points particulièrement critiques sont à prendre en compte dans la conception d’un pack de batteries : le premier est le fait que toute surcharge conduit à une surchauffe. Les cellules de batterie disposent d’une plage de température spécifique relativement serrée. Trop de chaleur peut les abîmer, voir même entraîner un incendie ou une explosion en cas d’emballement thermique. Il faut donc absolument éviter qu’elles chauffent trop.

Deuxièmement, la décharge d’une batterie sous une certaine valeur seuil peut conduire à une baisse durable de sa capacité. Cette valeur seuil dépend de la composition chimique et/ou de la technologie de la batterie et figure dans les fiches de données des plus grands constructeurs comme Samsung SDI.

Les composants inductifs spécialement développés pour les BMS peuvent isoler plusieurs cellules à haute énergie entre elles et ainsi améliorer la sécurité et le fonctionnement du système général. (Source : Pulse)

Réguler le flux d’énergie

En association avec le chargeur embarqué, le BMS doit maintenir les cellules de batterie dans leur plage de travail nominale même dans ces zones grises de surcharge ou de sous-charge pour éviter tout dysfonctionnement ou dommage. Il faut donc observer les limites de courant de charge et de décharge admissibles, ainsi que les tensions de charge et de décharge supérieures et inférieures. En fonction de la topologie, des commutateurs à semi-conducteur se chargent de gérer les courants. En raison des tensions de mode commun élevées, on utilise généralement des transformateurs d’isolement entre les circuits imprimés basse tension d’équilibrage et de surveillance des cellules pour garantir la communication permanente avec la pile dans une configuration « daisy chain » (en guirlande). Les transformateurs d’isolement avec des tensions d’isolement élevées, comme par ex. la série PH9185.XXXNL de Pulse, protègent le circuit de commande des tensions de mode commun élevées. Cette série se configure avec divers rapports de démultiplication.

 

Les transformateurs d’isolement PH9185.XXXNL de Pulse sont en mesure de protéger un circuit de commande des excédents d’énergie issus d’une batterie. (Source : Pulse)

Fonctions :

  • Tension d’isolement 5000 Vrms
  • Tension de travail 600 Vrms
  • Parcours d’air et de fuite 8 mm et isolation renforcée
  • Certifié UL et TÜV, qualifié AEC-Q200

Compenser les surtensions et les sous-tensions. Les surtensions et sous-tensions peuvent endommager ou user précocement la cellule. Pour l’éviter, il faut distribuer la tension de la batterie de manière homogène dans le pack batteries. Pour y arriver, le BMS mesure la tension de chaque cellule. Les différentes tensions sont ensuite compensées via un transfert de charge entre les cellules ou une décharge simple de certaines cellules pour atteindre le niveau global. Sur les cellules avec une tension supérieure à la moyenne, le trop-plein est distribué sur les autres cellules.

La bobine inductive PA4334 de Pulse détecte rapidement et avec précision des variations de tension des cellules. (Source : Pulse)

Éviter toute surchauffe

Pour que les cellules de batterie ne sortent pas de leur plage de température nominale, des capteurs de température mesurent la température en continu. Lorsqu’elle dépasse le seuil critique, le système de commande interrompt le chargement ou le déchargement jusqu’à ce que la température des cellules trop chaudes atteigne à nouveau la plage sûre.

Compenser les tensions

Pour déterminer l’état de charge (State of Charge, SoC), le BMS se charge généralement d’un comptage dit de Coulomb. Il détermine la quantité d’énergie électrique restant dans chaque cellule de batterie et la transmet aux unités de commande par le biais d'une interface protégée EMI. Cette architecture empilable peut se charger de centaines de cellules sur les grandes batteries. On garantit ainsi que les cellules se déchargent toutes de manière homogène et que leur chargement ne passe pas sous le seuil critique qui réduirait durablement leur capacité globale ou pourrait conduire à une décharge profonde inadmissible.

Dans ce cadre, il faut faire attention aux grandes différences de potentiel de tension de nombreuses cellules en série dans une connexion « daisy chain ». Il faut donc un isolement galvanique entre les composants. Pour isoler entre elles les connexions de communication en série entre les platines, l’idéal est d’utiliser des transformateurs.

Chez Pulse, les développeurs trouveront le modèle doté de la bonne tension de travail, du bon nombre de canaux ainsi que des bons type et formes de boîtier parmi un large choix de transformateurs d’isolement. Il existe, par exemple, la série HM11/21xxNL comportant de nombreuses configurations avec des tensions de travail et d’isolement différentes sélectionnant à coup sûr, le bon transformateur pour chaque application. Les transformateurs d’isolement sont autorisés pour de nombreux chipsets sur le marché (Rohm entre autres fabricants de circuits intégrés d’équilibrage de cellules).

Chez Pulse, les développeurs trouveront un large éventail de transformateurs d’isolement. (Source : Pulse)

Piloter le flux de courant

Le changement entre phase de courant constant et phase de tension constante est un algorithme de charge éprouvé. Pour limiter le taux de changement du flux de courant et éliminer l’ondularité (ripple) du courant de charge, le BMS s’appuie sur des inductances à courant fort. La série PA434xNL de Pulse est parfaitement adaptée à cet usage.

Un investissement qui vaut le coup. Lorsqu’ils sont intégrés de manière conforme, ces BMS solides basés sur des composants de puissance magnétiques innovants valent définitivement l’investissement. Ils sont en effet en mesure d’évaluer et de piloter la puissance et la stabilité de chaque cellule de batterie avec efficacité. Ils rallongent donc considérablement la durée de vie des batteries et rendent le système de batterie et donc aussi le véhicule plus sûrs.

 


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