Figure 1. Topologies d'équilibrage cellulaire courantes.
Comme pour les applications à cellule unique, un contrôle précis de la charge et une surveillance continue des cellules sont essentiels pour garantir un fonctionnement sûr et prévenir le vieillissement prématuré ou l'endommagement de la batterie.
Cependant, contrairement aux systèmes à cellule unique, les batteries connectées en série imposent une nouvelle exigence : l'équilibrage des cellules.
Toutes les cellules connectées en série doivent être équilibrées.
Les cellules d'une batterie sont « équilibrées » lorsque chacune d'elles présente le même état de charge (SoC). Le SoC représente la capacité restante d'une cellule par rapport à sa capacité maximale lors des cycles de charge et de décharge. Toutes les cellules de la batterie doivent être maintenues dans une plage de SoC spécifique afin de prévenir tout dommage ou dégradation durant leur durée de vie. Les applications exigeant une durée de vie maximale de la batterie peuvent utiliser une plage de SoC de 30 % à 70 % pour toutes les cellules. Ce sont les limites de SoC typiques des véhicules électriques et des systèmes de stockage connectés au réseau, qui utilisent des batteries très volumineuses et coûteuses.
L'état de charge (SoC) relatif des cellules connectées en série varie au fil du temps en raison des gradients de température, des différences d'impédance, des taux d'autodécharge ou de la charge entre cellules. Une technique d'équilibrage passif, comme celle illustrée sur la figure 1A, est une méthode simple et économique pour aligner l'état de charge de toutes les cellules sur celui de la cellule ayant le SoC le plus faible. Cependant, l'équilibrage passif est lent, génère de la chaleur et ne corrige pas les différences de SoC dues à des capacités inégales entre les cellules. Toutes les cellules perdent de la capacité avec le temps, et ce à des rythmes différents. Le courant circulant de manière égale entre les cellules, la capacité utile de la pile est déterminée par la cellule ayant la plus faible capacité. Seules les méthodes d'équilibrage actif, comme celles illustrées sur les figures 1B et 1C, peuvent compenser la perte de capacité de la pile due aux différences de capacité entre les cellules.
Un déséquilibre de capacité entre les cellules réduit l'autonomie.
Ce déséquilibre peut fortement diminuer la capacité utile d'une batterie si les cellules ne sont pas équilibrées. Dans l'exemple illustré par la figure 2, une batterie de 10 cellules de 100 Ah présentant un écart de capacité de ± 10 % est chargée et déchargée jusqu'à atteindre les seuils de 30 % et 70 % de son état de charge (SoC). Sans équilibrage, la capacité utile de la batterie est réduite de 25 %.
Un équilibrage passif peut égaliser le SoC pendant la charge, mais ne peut empêcher la cellule 10 d'atteindre 30 % de SoC avant les autres pendant la décharge. La figure 3 illustre comment un équilibrage actif « idéal » permet de récupérer la capacité « perdue ». Lors de la décharge, la charge est ajoutée aux cellules ayant la plus faible capacité afin que toutes les cellules atteignent simultanément 30 % de SoC. De même, lors de la charge, la charge est retirée des cellules ayant la plus faible capacité afin que toutes les cellules atteignent collectivement 70 % de SoC.
Au cours de la durée de vie d'une batterie, les variations de vieillissement des cellules entraînent des différences de capacité. Seul l'équilibrage actif permet une « récupération de capacité » en redistribuant la charge selon les besoins afin de maintenir l'équilibre de l'état de charge (SoC) sur l'ensemble de la batterie.
L'équilibrage bidirectionnel haute efficacité offre une récupération de capacité maximale.
Le LTC3300 (voir figure 4) est un nouveau produit conçu spécifiquement pour répondre aux besoins d'équilibrage actif haute performance. Ce circuit intégré de contrôle d'équilibrage actif bidirectionnel haute efficacité constitue un élément fondamental d'un système de gestion de batterie haute performance. Chaque circuit intégré peut équilibrer simultanément jusqu'à six cellules Li-Ion ou LiFePO4 connectées en série.
L'équilibrage du SoC est réalisé en redistribuant la charge entre une cellule sélectionnée et un sous-groupe d'au moins 12 cellules adjacentes. Les décisions et algorithmes d'équilibrage sont gérés par le système de gestion de batterie qui contrôle le LTC3300. La charge est redistribuée d'une cellule sélectionnée vers un groupe d'au moins 12 cellules voisines pour la décharger. De même, la charge est transférée d'un groupe d'au moins 12 cellules vers une cellule sélectionnée pour la charger. Tous les équilibreurs sont contrôlés via une interface SPI empilable et peuvent fonctionner simultanément afin de minimiser le temps d'équilibrage.
Chaque équilibreur LTC3300 utilise un étage de puissance flyback synchrone non isolé pour effectuer une charge et une décharge à haut rendement (voir figure 5). Chaque équilibreur nécessite son propre transformateur.
Le côté « primaire » de chaque transformateur est connecté à la cellule à équilibrer, et le côté « secondaire » à au moins 12 cellules adjacentes. Le nombre de cellules secondaires est limité uniquement par la tension de claquage des composants externes. Les courants de charge et de décharge (jusqu'à 10 A+) sont programmés à l'aide de résistances de détection externes. La génération de séquences et la détection de courant d'IPICO/ICERO dépendent du mode de charge ou de décharge de l'équilibreur.
Un rendement élevé est obtenu grâce à un fonctionnement synchrone et à des composants externes adaptés. En cas de détection d'un défaut, le processus d'équilibrage s'arrête automatiquement.
L'efficacité de l'équilibreur est primordiale !
La chaleur est l'un des principaux ennemis d'une batterie. Les températures ambiantes élevées dégradent rapidement sa durée de vie et ses performances. Malheureusement, dans les systèmes à courant élevé, les courants d'équilibrage sont également élevés.
Un faible rendement de l'équilibreur génère une chaleur indésirable au sein du système de batterie. Comme illustré sur la figure 6, le LTC3300 atteint un rendement supérieur à 90 % aussi bien en charge qu'en décharge, permettant ainsi d'utiliser un courant d'équilibrage plus de deux fois supérieur à celui d'une solution à 80 % de rendement.
De plus, une plus grande efficacité de l'équilibreur permet une redistribution de charge plus efficace, ce qui prolonge la durée de fonctionnement.
L'équilibrage est principalement assuré par les cellules locales.
Le transfert de charge à travers la pile est réalisé par l'entrelacement de connexions secondaires, comme illustré sur la figure 7. Cet entrelacement permet de transférer la charge d'un groupe de six cellules vers ou depuis un groupe de cellules adjacent, situé au-dessus ou en dessous dans la pile. Cette flexibilité contribue à optimiser l'algorithme d'équilibrage.
Comme le montre l'exemple de la figure 7, il n'est pas nécessaire de déplacer la charge à travers plusieurs conversions du haut vers le bas de la pile ; l'équilibrage est principalement effectué par les cellules voisines.
La sécurité avant tout.
Outre ses excellentes performances électriques, le LTC3300 offre de nombreuses fonctions de sécurité pour une fiabilité optimale. Parmi celles-ci figurent des contrôles d'intégrité des données, un réglage programmable volt-seconde, une surveillance des surtensions et sous-tensions des cellules, ainsi qu'une détection des surtensions côté secondaire afin de prévenir les dommages causés par des erreurs de données ou de câblage. Grâce à ces fonctionnalités, le LTC3300 assure un équilibrage fiable, actif et performant dans les systèmes de batteries en série.
Avec le LTC3300, les différences de capacité entre les cellules sont compensées sans affecter le temps de fonctionnement, le temps de charge ou la durée de vie de la batterie.
Auteur
Samuel Nork, directeur du centre de conception de Boston Linear Technology Corporation
