Les cellules au lithium étant sensibles aux dommages causés par la surcharge ou la décharge excessive, ces batteries intègrent des systèmes de surveillance qui contrôlent le potentiel de chaque cellule afin de prévenir ces problèmes. Le développement de ces systèmes de gestion de batterie (BMS) multicellulaires nécessite une méthode pratique pour stimuler les circuits et vérifier l'efficacité des algorithmes de contrôle et de protection. Idéalement, la stimulation correspondrait à des cellules réelles, mais dans ce cas, la variation de l'état de charge pour déclencher différentes actions fonctionnelles du BMS devient longue et complexe. L'utilisation de plusieurs alimentations est fréquente en laboratoire, mais cette solution est très coûteuse. Par conséquent, pour des tests fonctionnels simples, des chaînes résistives sont polarisées afin de simuler une cellule de manière rudimentaire. Les chaînes résistives présentent des limitations importantes dues à leur résistance de source relativement élevée, introduisant ainsi dans le système des éléments qui ne représentent pas des cellules réelles. Cependant, même avec des alimentations dédiées, si le système testé inclut un équilibrage actif des cellules, les alimentations doivent intégrer un courant de charge virtuel (c'est-à-dire une inversion de courant). L'avantage principal réside dans la disponibilité de plusieurs simulateurs de cellules compacts permettant de réaliser des tests simples en laboratoire sur le fonctionnement des BMS. Un autre avantage pratique d'un simulateur de batterie est qu'il peut être facilement transporté par avion pour les opérations effectuées hors du laboratoire, alors qu'un véritable pack de cellules lithium-ion est généralement expédié par voie maritime.
Choix d'un circuit pratique :
La principale caractéristique requise est une source à faible impédance et un fonctionnement bidirectionnel (tension positive, mais courant bidirectionnel, permettant de simuler les phases de charge et de décharge). Il est également nécessaire d'isoler les différents simulateurs de cellules afin de pouvoir les connecter en série, comme dans le boîtier réel. Cette dernière exigence suggère l'utilisation de transformateurs et, pour réduire leur taille, une architecture à découpage. Une topologie à découpage, en particulier, offre l'isolation et le fonctionnement bidirectionnel, comme c'est le cas pour le convertisseur flyback synchrone.
Dans un flyback simple utilisé comme convertisseur élévateur, un interrupteur côté basse tension fonctionne avec un rapport cyclique qui fixe le courant de sortie dans une section de sortie, comme illustré sur la figure 1. Dans cette configuration idéale, la diode de redressement conduit pendant le temps de blocage de l'interrupteur, permettant au courant de sortie de circuler dans l'inductance tandis que l'énergie magnétique est transférée de manière unidirectionnelle au condensateur de sortie. Lors de la régulation, l'interrupteur subit une surtension de retour dV supérieure à la tension d'alimentation de 12 V, dV étant généralement de l'ordre de la tension d'alimentation.
Pour isoler le convertisseur, l'inductance est remplacée par un transformateur (voir figure 2), de sorte que la sortie apparaisse au secondaire. Bien que la sortie soit désormais isolée, le transfert d'énergie magnétique reste identique à celui avec une inductance. Le rapport de transformation N du transformateur est choisi pour optimiser le fonctionnement avec les tensions d'entrée et de sortie souhaitées. L'interrupteur subit toujours une surtension de retour dV supérieure à la tension de la source de 12 V. Ce circuit ne permet pas d'empêcher la tension de sortie d'être forcée au-delà du point de consigne par un courant externe (il ne fonctionne que dans un seul quadrant).
Une version synchrone est obtenue en remplaçant le redresseur par un autre interrupteur (voir figure 3). Ceci améliore le rendement car l'interrupteur dissipe moins de puissance qu'une diode conductrice et crée un second quadrant de fonctionnement grâce à la symétrie du circuit. Ce circuit accepte un courant inverse au secondaire, induisant un courant inverse dans l'enroulement primaire vers la source principale. Ainsi, la sortie conserve son point de consigne même en présence d'un courant de sortie inverse forcé. Il est important de prendre en compte le risque de courant inverse dans l'alimentation du circuit si la cellule simulée est fortement sollicitée (le courant circule alors vers la tension de sortie positive). L'isolation des sorties permet de partager l'alimentation entre plusieurs circuits, une seule alimentation puissante pouvant ainsi alimenter un réseau entier. La connexion en réseau permet également de consolider les pertes parasites du circuit, rendant improbable un courant inverse dans l'alimentation en utilisation normale (tant que la puissance nette de la charge est inférieure aux pertes totales).
Analyse détaillée :
Le circuit intégré LT3837 de Linear Technology est particulièrement adapté à cette fonction de convertisseur. Ce circuit est généralement utilisé pour fournir des tensions basses, comme celles d'une batterie (de l'ordre de quelques ampères), à partir de rails d'alimentation haute tension. La seule différence pour la fonction de simulation de cellule réside dans la nécessité d'une tension de sortie ajustable. Des alimentations 12 V haute puissance étant disponibles prêtes à l'emploi, nous pouvons optimiser la conception pour les utiliser comme source. Comme la plage de tension des cellules au lithium s'étend de légèrement en dessous de 2 V à légèrement au-dessus de 4 V, nous pouvons définir une plage de réglage correspondante offrant une grande polyvalence d'utilisation et la possibilité de simuler une large gamme d'états de charge.
La figure 4 présente une coupe transversale d'un réseau avec tous ses composants. Pour le réglage de la tension, le réseau de rétroaction fournit un signal de commande à l'amplificateur opérationnel, de sorte que 0 V corresponde à une tension de sortie d'environ 4,2 V et 3 V à environ 1,9 V. Pour un contrôle optimal par l'utilisateur, chaque circuit de cellule est équipé d'une commande de réglage fin. Le réseau est ensuite contrôlé collectivement par des réglages grossiers et fins (le signal de réglage principal MCTL peut être connecté à différentes sections du convertisseur). Pour les valeurs spécifiées, le réglage grossier de la tension de sortie du groupe est d'environ ±0,9 V, le réglage fin d'environ ±0,15 V et les commandes de réglage des cellules d'environ ±0,1 V. Ceci permet d'atteindre la plage maximale souhaitée (la possibilité de contrôler chaque cellule individuellement jusqu'à ses limites a été sacrifiée au profit des commandes de réglage fin). Tous les circuits de commande sont alimentés en 3,3 V à partir de l'alimentation 12 V. Pour une régulation de tension informatisée, les signaux de l'amplificateur opérationnel peuvent être remplacés par des convertisseurs numérique-analogique (CNA) tels que le LTC2668 à 16 canaux.
Q101 et T100 sont les deux principaux composants du convertisseur flyback, et Q102 est le redresseur synchrone. Pour une commande rapide et isolée de Q102, sa grille est commandée par T101 via les tampons de courant Q103 et Q104. La contre-réaction est régulée par un enroulement auxiliaire sur T100. Une résistance série de 10 mΩ est intégrée en sortie, permettant des mesures de courant par couplage Kelvin avec un voltmètre (à partir des signaux I+ et I-). L'impédance de sortie totale du circuit est d'environ 25 mΩ, offrant une capacité de courant robuste de ±6 A. Les pertes statiques sont de l'ordre de 1 W par section de cellule, donc avec un ensemble de 24 cellules, la probabilité d'inversion d'une source de 12 V est minimale et la puissance est appropriée pour une utilisation avec une source commerciale de 12 V/300 W telle que la TDK-Lambda SWS300-12.
En conclusion
, la conception d'un simulateur de batterie constitue une solution pratique pour le développement de systèmes de gestion de batterie (BMS) haute densité et facilement transportables. Un simulateur à 24 cellules peut être monté sur un châssis rack 2U avec une alimentation 12 V et fournir des tensions réglables avec précision entre 1,9 V et 4,2 V, avec une capacité de ±6 A.
