Les défis de la gestion des batteries pour les véhicules électriques/hybrides
White paper Linear Technology | Auteur : Brian Black
Directeur du marketing produit, produits de prétraitement des signaux, Linear Technology.
Les progrès technologiques des batteries ont permis certaines des innovations récentes parmi les plus intéressantes du secteur de l’automobile, donnant son essor à une nouvelle génération de véhicules électriques (VE) et de véhicules hybrides/électriques (VHE). De nouvelles applications telles que les systèmes de stockage d’énergie (SSE) émergent également, et pourraient révolutionner la génération, la distribution et le stockage de l’énergie. Les concepteurs de ces systèmes font face à des problèmes importants de coût, de flexibilité de conception, de fiabilité et de durée de vie des batteries d’accumulateurs, et de sécurité.
Le système de gestion de batterie (BMS) joue un rôle décisif dans la capacité d’une batterie d’accumulateurs à satisfaire chacune de ces exigences de conception. Au cœur du BMS, se trouve un circuit intégré de contrôle de batterie. Ce circuit mesure les tensions de chaque élément de batterie pour déterminer l’état de charge et si la batterie d’accumulateurs est en bon état.
Les caractéristiques les plus critiques d’un circuit intégré de contrôle de batterie sont la précision, la robustesse des données et la capacité à détecter les dysfonctionnements pour assurer la sécurité. La précision du circuit de contrôle influe directement sur le coût du système, la fiabilité et la durée de vie du jeu de batteries. Chaque élément à une capacité limitée qui doit être gérée minutieusement. Une surcharge peut entraîner des problèmes de sécurité et de fiabilité, alors qu’une décharge profonde peut avoir une incidence sur la durée de vie de l’élément. L’utilisation d’un circuit de contrôle moins précis exige que le concepteur de système fasse appel à des « bandes de garde » plus grandes pour la protection contre les surtensions et les sous-tensions, limitant ainsi la capacité totale disponible pour le véhicule. Un circuit de contrôle plus précis permet une meilleure exploitation de la capacité totale de chaque élément, réduisant ainsi le coût total du système de batterie d’accumulateurs.
Pour obtenir la meilleure précision à long terme et dans des conditions difficiles, Linear Technology utilise une structure à référence de tension Zener dans le circuit intégré de contrôle de batterie LTC6804 (voir illustration). Cela garantie que l’erreur totale de mesure de tension de l’élément est inférieure à 1,2mV. Pour maintenir la meilleure précision de mesure en présence de bruit électrique et de transitoires provenant des onduleurs, des actionneurs, des commutateurs, des relais, etc., le LTC6804 emploie des CAN delta-sigma avec filtrage du bruit de 3ème ordre intégré.
Le LTC6804 de Linear Technology peut mesurer jusqu’à 12 éléments de batterie connectés en série, à des tensions pouvant atteindre 4,2V avec une résolution de 16 bits et une précision supérieure à 0,04%.
Idéalement, une batterie d’accumulateurs devrait être divisée en modules plus petits, répartis dans tout le véhicule pour une plus grande flexibilité de conception et une meilleure répartition du poids. Le problème vient du fait que les modules de batterie nécessitent de communiquer des données de mesure sensibles dans un environnement physiquement difficile et électriquement bruyant. Le bus CAN avait été conçu à l’origine pour permettre des communications robustes dans les environnements automobiles difficiles, mais la demande en termes de débit de données pour les données brutes BMS et le coût des composants ont empêché l’adoption du bus CAN dans des VE et les VHE. Pour cette raison, Linear Technology a créé l’interface isoSPI™, qui permet une communication robuste à faible coût sur des longueurs de câbles pouvant atteindre 100m. L’interface isoSPI intégrée dans le LTC6804 et le circuit de l’interface de communication isoSPI de son associé, le LTC6820, fonctionnent avec des transformateurs minuscules, similaires à ceux utilisés dans les réseaux Ethernet, et une paire de fils équilibrée pour fournir jusqu’à 1 Mbit/sec de débit de données sans le coût associé au bus CAN. L’interface isoSPI a été conçue pour effectuer des transmissions sans erreur même en étant soumise aux rigueurs d’essais d’immunité en injection de courant BCI. En pratique, le maintien total des performances au cours d’un essai BCI ultra-rigoureux à 200mA a été démontré chez Linear Technology et reproduit dans plusieurs entreprises automobiles clés, qualifiant entièrement les liaisons isoSPI pour le câblage de la distribution électrique dans un châssis de véhicule.
La sécurité est prioritaire sur tout le reste pour les fabricants de VE. Comme les composants électroniques sont de plus en plus utilisés dans l’automobile, une plus grande attention a été portée à l’impact de leur fonctionnement sur la sécurité. Linear Technology est un fournisseur des clients du secteur de l’automobile les plus importants depuis de nombreuses années et continue à améliorer son excellente qualité et son haut niveau de fiabilité. De plus, les concepteurs de batterie d’accumulateurs s’adressent aux fabricants de circuits intégrés pour leurs besoins en détection exhaustive de dysfonctionnements. Un moniteur de batterie conçu pour la sécurité automobile sera conforme à la norme ISO26262 et comprend des circuits redondants, des autotests, des horloges chiens de garde, et une détection et correction d’erreurs de communication.
Comme les VE et VHE continuent à gagner en popularité, les concepteurs de système de batterie d’accumulateurs travaillent en vue d’améliorer encore les coûts, les performances et la sécurité. Reconnaissant le rôle clé joué par les circuits intégrés moniteurs de batterie dans chacun de ces secteurs, les concepteurs automobiles vont utiliser des circuits intégrés qui fournissent le plus haut niveau de précision, de robustesse et de détection de dysfonctionnement.
Brian Black
