Techniques d'équilibrage cellulaire et comment les utiliser

Une pile au lithium nominale est évaluée à environ 4,2 V seulement, mais dans ses applications telles que les véhicules électriques, l'électronique portable, les ordinateurs portables, les banques d'alimentation, etc., nous avons besoin d'une tension bien supérieure à sa tension nominale. C'est la raison pour laquelle les concepteurs combinent plus d'une cellule en série pour former un bloc-batterie de valeurs de tension plus élevées. Comme nous le savons dans notre précédent article sur les batteries de véhicules électriques, lorsque les batteries sont combinées en série, la valeur de la tension est ajoutée. Par exemple, lorsque quatre cellules au lithium de 4,2 V sont connectées en série, la tension de sortie effective de la batterie résultante sera de 16,8 V.

Mais vous pouvez imaginer connecter plusieurs cellules en série, c'est comme monter plusieurs chevaux sur un char. Ce n'est que si tous les chevaux courent à la même vitesse que le char sera conduit avec une efficacité maximale. Sur quatre chevaux, si un cheval court lentement, les trois autres doivent également réduire leur vitesse, réduisant ainsi l'efficacité et si un cheval court plus vite, il finirait par se blesser en tirant la charge des trois autres chevaux. De même, lorsque quatre cellules sont connectées en série, les valeurs de tension de toutes les quatre cellules doivent être égales pour obtenir le bloc-batterie avec une efficacité maximale. La méthode consistant à maintenir toutes les tensions de cellule égales est appelée équilibrage de cellule. Dans cet article, nous en apprendrons plus sur l'équilibrage des cellules et aussi brièvement sur la façon de les utiliser au niveau matériel et logiciel.

Pourquoi avons-nous besoin de l'équilibrage cellulaire?

L'équilibrage des cellules est une technique dans laquelle les niveaux de tension de chaque cellule individuelle connectée en série pour former un bloc-batterie sont maintenus égaux pour atteindre l'efficacité maximale du bloc-batterie. Lorsque différentes cellules sont combinées pour former un bloc-batterie, il est toujours garanti qu'elles ont la même chimie et la même valeur de tension. Mais une fois que le pack est installé et soumis à la charge et à la décharge, les valeurs de tension des cellules individuelles ont tendance à varier pour certaines raisons que nous discuterons plus tard. Cette variation des niveaux de tension provoque un déséquilibre des cellules qui entraînera l'un des problèmes suivants

Fuite thermique

La pire chose qui puisse arriver est l'emballement thermique. Comme nous le savons, les piles au lithium sont très sensibles à la surcharge et à la décharge excessive. Dans un pack de quatre cellules, si une cellule est de 3,5 V tandis que l'autre est de 3,2 V, la charge chargera toutes les cellules ensemble puisqu'elles sont en série et elle chargera la cellule de 3,5 V à une tension supérieure à la tension recommandée puisque les autres batteries sont toujours nécessitent une charge.

Dégradation cellulaire

Lorsqu'une pile au lithium est surchargée, même légèrement au-dessus de sa valeur recommandée, l'efficacité et le cycle de vie de la pile sont réduits. Par exemple, une légère augmentation de la tension de charge de 4,2 V à 4,25 V dégradera la batterie plus rapidement de 30%. Ainsi, si l'équilibrage des cellules n'est pas précis, même une légère surcharge réduira la durée de vie de la batterie.

Chargement incomplet du pack

Au fur et à mesure que les batteries d'un pack vieillissent, peu de cellules peuvent être plus faibles que les cellules voisines. Ces cellules hebdomadaires seront un énorme problème car elles se chargeront et se déchargeront plus rapidement qu'une cellule saine normale. Lors du chargement d'une batterie avec des cellules en série, le processus de charge doit être arrêté même si une cellule atteint la tension maximale. De cette façon, si deux cellules dans une batterie obtiennent une semaine, elles se chargeront plus rapidement et donc les cellules restantes ne seront pas chargées au maximum comme indiqué ci-dessous.

Utilisation incomplète de l'énergie du pack

De même, dans le même cas, lorsque la batterie est en cours de décharge, les cellules les plus faibles se déchargeront plus rapidement que la cellule saine et elles atteindront la tension minimale plus rapidement que les autres cellules. Comme nous l'avons appris dans notre article BMS, le pack sera déconnecté de la charge même si une cellule atteint la tension minimale. Cela conduit à la capacité inutilisée de l'énergie du pack comme indiqué ci-dessous.

En tenant compte de tous les inconvénients possibles ci-dessus, nous pouvons conclure qu'un équilibrage des cellules serait obligatoire pour utiliser le bloc-batterie à son efficacité maximale. Pourtant, il existe peu d'applications où le coût initial devrait être très faible et le remplacement de la batterie n'est pas un problème dans ces applications, l'équilibrage des cellules pourrait être évité. Mais dans la majorité des applications, y compris les véhicules électriques, l'équilibrage des cellules est obligatoire pour obtenir le maximum de jus de la batterie.

Quelles sont les causes du déséquilibre des cellules dans les batteries?

Nous savons maintenant pourquoi il est important de garder toutes les cellules équilibrées dans une batterie. Mais pour résoudre correctement le problème, nous devons savoir pourquoi les cellules sont déséquilibrées de première main. Comme indiqué précédemment, lorsqu'un bloc-batterie est formé en plaçant les cellules en série, on s'assure que toutes les cellules sont aux mêmes niveaux de tension. Ainsi, une batterie neuve aura toujours des cellules équilibrées. Mais lorsque le pack est mis en service, les cellules sont déséquilibrées pour les raisons suivantes.

Déséquilibre SOC

Mesurer le SOC d'une cellule est compliqué; il est donc très complexe de mesurer le SOC de cellules individuelles dans une batterie. Une technique idéale d'équilibrage des cellules doit correspondre aux cellules du même SOC au lieu des mêmes niveaux de tension (OCV). Mais comme il n'est pratiquement pas possible que les cellules soient appariées uniquement en termes de tension lors de la fabrication d'un pack, la variation du SOC pourrait entraîner un changement d'OCV en temps voulu.

Variation de résistance interne

Il est très difficile de trouver des cellules de la même résistance interne (IR) et à mesure que la batterie vieillit, l'IR de la cellule change également et, par conséquent, dans une batterie, toutes les cellules n'auront pas le même IR. Comme nous le savons, l'IR contribue à l'impédance interne de la cellule qui détermine le courant circulant dans une cellule. Comme l'IR varie, le courant à travers la cellule et sa tension varient également.

Température

La capacité de charge et de décharge de la cellule dépend également de la température qui l'entoure. Dans un énorme pack de batteries comme dans les VE ou les panneaux solaires, les cellules sont réparties sur des zones de déchets et il peut y avoir une différence de température entre le pack lui-même, ce qui entraîne la charge ou la décharge d'une cellule plus rapidement que les cellules restantes, provoquant un déséquilibre.

D'après les raisons ci-dessus, il est clair que nous ne pouvons pas empêcher la cellule de se déséquilibrer pendant l'opération. Donc, la seule solution est d'utiliser un système externe qui oblige les cellules à se rééquilibrer après leur déséquilibre. Ce système s'appelle le système d'équilibrage de la batterie. Il existe de nombreux types de techniques matérielles et logicielles utilisées pour l'équilibrage des cellules de batterie. Discutons des types et des techniques largement utilisées.

Types d'équilibrage des cellules de batterie

Les techniques d'équilibrage des cellules peuvent être globalement classées dans les quatre catégories suivantes qui sont énumérées ci-dessous. Nous discuterons de chaque catégorie.

Équilibrage passif des cellules
Équilibrage actif des cellules
Équilibrage cellulaire sans perte
Navette Redox

1. Équilibrage passif des cellules

La méthode d'équilibrage passif des cellules est la méthode la plus simple de toutes. Il peut être utilisé dans des endroits où le coût et la taille sont des contraintes majeures. Voici les deux types d'équilibrage passif des cellules.

Shunt de charge

Dans cette méthode, une charge fictive comme une résistance est utilisée pour décharger l'excès de tension et l'égaliser avec d'autres cellules. Ces résistances sont appelées résistances de dérivation ou résistances de purge. Chaque cellule connectée en série dans un pack aura sa propre résistance de dérivation connectée via un interrupteur comme indiqué ci-dessous.

Le circuit d'échantillonnage ci-dessus montre quatre cellules dont chacune est connectée à deux résistances de dérivation via un commutateur comme le MOSFET. Les contrôleurs mesurent la tension des quatre cellules et activent le mosfet pour la cellule dont la tension est supérieure à celle des autres cellules. Lorsque mosfet est activé, cette cellule particulière commence à se décharger à travers les résistances. Puisque nous connaissons la valeur des résistances, nous pouvons prédire la quantité de charge dissipée par la cellule. Le condensateur connecté en parallèle avec la cellule est utilisé pour filtrer les pics de tension lors de la commutation.

Cette méthode n'est pas très efficace car l'énergie électrique est dissipée sous forme de chaleur dans les résistances et le circuit tient également compte des pertes de commutation. Un autre inconvénient est que la totalité du courant de décharge circule à travers le mosfet qui est principalement intégré dans le circuit intégré de commande et, par conséquent, le courant de décharge doit être limité à des valeurs faibles, ce qui augmente le temps de décharge. Une façon de surmonter l'inconvénient est d' utiliser un interrupteur externe pour augmenter le courant de décharge comme indiqué ci-dessous

Le MOSFET à canal P interne sera déclenché par le contrôleur qui provoque la décharge de la cellule (polarisation I) à travers les résistances R1 et R2. La valeur de R2 est sélectionnée de telle manière que la chute de tension qui se produit à travers elle en raison du flux de courant de décharge (polarisation I) soit suffisante pour déclencher le second MOSFET à canal N. Cette tension est appelée la tension de source de grille (Vgs) et le courant nécessaire pour polariser le MOSFET est appelé courant de polarisation (I-polarisation).

Une fois que le MOSFET à canal N est activé, le courant passe maintenant à travers la résistance d'équilibrage R-Bal . La valeur de cette résistance peut être faible, ce qui permet à plus de courant de la traverser et de décharger ainsi la batterie plus rapidement. Ce courant est appelé courant de drain (I-drain). Dans ce circuit, le courant de décharge total est la somme du courant de drain et du courant de polarisation. Lorsque le MOSFET à canal P est désactivé par le contrôleur, le courant de polarisation est nul et ainsi la tension Vgs devient également nulle. Cela désactive le MOSFET à canal N, laissant la batterie redevenir idéale.

CI d'équilibrage de cellules passives

Même si la technique d'équilibrage passif n'est pas efficace, elle est plus couramment utilisée en raison de cette simplicité et de son faible coût. Au lieu de concevoir le matériel, vous pouvez également utiliser quelques circuits intégrés facilement disponibles tels que LTC6804 et BQ77PL900 de fabricants renommés tels que les instruments Linear et Texas respectivement. Ces CI peuvent être montés en cascade pour surveiller plusieurs cellules et économiser du temps et des coûts de développement.

Limitation de charge

La méthode de limitation de charge est la méthode la plus inefficace de toutes. Ici, seule la sécurité et la durée de vie de la batterie sont prises en compte tout en renonçant à l'efficacité. Dans cette méthode, les tensions individuelles des cellules sont surveillées en continu.

Pendant le processus de charge, même si une cellule atteint la tension de charge complète, la charge est interrompue, laissant les autres cellules à mi-chemin. De même pendant la décharge, même si une cellule atteint la tension de coupure minimale, le bloc-batterie est déconnecté de la charge jusqu'à ce que le bloc soit à nouveau chargé.

Bien que cette méthode soit inefficace, elle réduit les exigences de coût et de taille. Par conséquent, il est utilisé dans une application où les batteries peuvent être souvent chargées.

2. Équilibrage actif des cellules

Dans l'équilibrage de cellules passives, la charge excédentaire n'a pas été utilisée, par conséquent, elle est considérée comme inefficace. Alors que dans l'équilibrage actif, l'excès de charge d'une cellule est transféré vers une autre cellule de faible charge pour les égaliser. Ceci est réalisé en utilisant des éléments de stockage de charge tels que des condensateurs et des inducteurs. Il existe de nombreuses méthodes pour effectuer l'équilibrage actif des cellules, discutons des méthodes couramment utilisées.

Navettes de charge (condensateurs volants)

Cette méthode utilise des condensateurs pour transférer la charge d'une cellule haute tension à une cellule basse tension. Le condensateur est connecté via des commutateurs SPDT initialement, le commutateur connecte le condensateur à la cellule haute tension et une fois que le condensateur est chargé, le commutateur le connecte à la cellule basse tension où la charge du condensateur s'écoule dans la cellule. Comme la charge fait la navette entre les cellules, cette méthode est appelée navettes de charge. La figure ci-dessous devrait vous aider à mieux comprendre.

Ces condensateurs sont appelés les condensateurs volants car ils volent entre les cellules basse tension et haute tension portant des chargeurs. L'inconvénient de cette méthode est que la charge ne peut être transférée qu'entre des cellules adjacentes. En outre, cela prend plus de temps puisque le condensateur doit être chargé puis déchargé pour transférer les charges. Il est également très moins efficace car il y aura une perte d'énergie pendant la charge et la décharge du condensateur et les pertes de commutation doivent également être prises en compte. L'image ci-dessous montre comment le condensateur volant sera connecté dans une batterie

Convertisseur inductif (méthode Buck Boost)

Une autre méthode d'équilibrage des cellules actives consiste à utiliser des inducteurs et des circuits de commutation. Dans cette méthode, le circuit de commutation consiste en un convertisseur élévateur abaisseur . La charge de la cellule haute tension est pompée dans l'inducteur, puis déchargée dans la cellule basse tension en utilisant le convertisseur élévateur abaisseur. La figure ci-dessous représente un convertisseur inductif avec seulement deux cellules et un seul convertisseur élévateur abaisseur.

Dans le circuit ci-dessus, la charge peut être transférée de la cellule 1 à la cellule 2 en commutant les MOSFETS sw1 et sw2 de la manière suivante. Tout d'abord, l'interrupteur SW1 est fermé, cela fera circuler la charge de la cellule 1 dans l'inducteur avec une charge I actuelle. Une fois l'inductance complètement chargée, l'interrupteur SW1 est ouvert et l'interrupteur sw2 est fermé.

Maintenant, l'inducteur qui est complètement chargé inversera sa polarité et commencera à se décharger. Cette fois, la charge de l'inducteur s'écoule dans la cellule2 avec une décharge de courant I. Une fois que l'inducteur est complètement déchargé, l'interrupteur sw2 est ouvert et l'interrupteur sw1 est fermé pour répéter le processus. Les formes d'onde ci-dessous vous aideront à obtenir une image claire.

Pendant le temps t0, l'interrupteur sw1 est fermé (ouvert), ce qui conduit à une augmentation du courant de charge I et à une augmentation de la tension aux bornes de l'inductance (VL). Ensuite, une fois que l'inducteur est complètement chargé au temps t1, l'interrupteur sw1 est ouvert (désactivé) ce qui oblige l'inducteur à décharger la charge qu'il a accumulée à l'étape précédente. Lorsqu'un inducteur se décharge, il change de polarité, la tension VL est donc représentée en négatif. Lors de la décharge, le courant de décharge (I décharge) diminue par rapport à sa valeur maximale. Tout ce courant entre dans la cellule 2 pour la recharger. Un petit intervalle est autorisé du temps t2 à t3 puis à t3 le cycle entier se répète à nouveau.

Cette méthode souffre également d'un inconvénient majeur en ce que la charge ne peut être transférée que d'une cellule supérieure à une cellule inférieure. La perte de commutation et la chute de tension des diodes doivent également être prises en compte. Mais c'est plus rapide et efficace que la méthode des condensateurs.

Convertisseur inductif (basé sur Fly back)

Comme nous l'avons vu, la méthode du convertisseur buck boost ne pouvait transférer les charges de la cellule supérieure vers la cellule inférieure. Ce problème peut être évité en utilisant un convertisseur Fly back et un transformateur. Dans un convertisseur de type flyback, le côté primaire de l'enroulement est connecté à la batterie et le côté secondaire est connecté à chaque cellule individuelle de la batterie comme indiqué ci-dessous

Comme nous le savons, la batterie fonctionne en courant continu et le transformateur n'aura aucun effet tant que la tension n'est pas commutée. Ainsi, pour commencer le processus de charge, l'interrupteur du côté de la bobine primaire Sp est commuté. Cela convertit le courant continu en courant continu pulsé et le côté primaire du transformateur est activé.

Maintenant, du côté secondaire, chaque cellule a son propre interrupteur et la bobine secondaire. En commutant le mosfet de la cellule basse tension, nous pouvons faire en sorte que cette bobine particulière agisse comme un secondaire pour le transformateur. De cette façon, la charge de la bobine primaire est transférée à la bobine secondaire. Cela provoque la décharge de la tension globale de la batterie dans la cellule faible.

Le plus grand avantage de cette méthode est que toute cellule faible dans le pack peut être facilement chargée à partir de la tension du pack et non une cellule particulière est des décharges. Mais comme il s'agit d'un transformateur, il occupe un espace important et la complexité du circuit est élevée.

3. Équilibrage sans perte

L'équilibrage sans perte est une méthode récemment développée qui réduit les pertes en réduisant les composants matériels et en fournissant plus de contrôle logiciel. Cela rend également le système plus simple et plus facile à concevoir. Ce procédé utilise un circuit de commutation matricielle qui offre la possibilité d'ajouter ou de retirer une cellule d'un pack pendant la charge et la décharge. Un simple circuit de commutation matricielle pour huit cellules est illustré ci-dessous.

Pendant le processus de charge, la cellule qui est à haute tension sera retirée du pack en utilisant les agencements de commutation. Dans la figure ci-dessus, la cellule 5 est retirée du pack en utilisant les commutateurs. Considérez les cercles de ligne rouge comme des interrupteurs ouverts et le cercle de ligne bleue comme des interrupteurs fermés. Ainsi, le temps de repos des cellules les plus faibles est augmenté pendant le processus de charge afin de les équilibrer pendant la charge. Mais la tension de charge doit être ajustée en conséquence. La même technique peut être suivie pendant la décharge également.

4. Redox Shuttle

La méthode finale n'est pas destinée aux concepteurs de matériel mais aux ingénieurs chimistes. Dans la batterie au plomb, nous n'avons pas le problème de l'équilibrage des cellules car lorsqu'une batterie au plomb est surchargée, cela provoque un gazage qui l'empêche de se surcharger. L'idée derrière la navette Redox est d'essayer d'obtenir le même effet sur les piles au lithium en modifiant la chimie de l'électrolyte de la pile au lithium. Cet électrolyte modifié devrait empêcher la cellule de se surcharger.

Algorithmes d'équilibrage cellulaire

Une technique efficace d'équilibrage des cellules doit combiner le matériel à un algorithme approprié. Il existe de nombreux algorithmes pour l'équilibrage des cellules et cela dépend de la conception matérielle. Mais les types peuvent être réduits en deux sections différentes.

Mesure de la tension en circuit ouvert (OCV)

C'est la méthode la plus simple et la plus couramment suivie. Ici, les tensions de cellules ouvertes sont mesurées pour chaque cellule et le circuit d'équilibrage de cellule fonctionne pour égaliser les valeurs de tension de toutes les cellules connectées en série. Il est simple de mesurer l'OCV (tension en circuit ouvert) et donc la complexité de cet algorithme est moindre.

Mesure de l'état de charge (SOC)

Dans cette méthode, le SOC des cellules est équilibré. Comme nous le savons déjà, mesurer le SOC d'une cellule est une tâche complexe car nous devons tenir compte de la valeur de tension et de courant de la cellule sur une période de temps pour calculer la valeur de SOC. Cet algorithme est complexe et utilisé dans des endroits où une efficacité et une sécurité élevées sont requises, comme dans les industries aérospatiale et spatiale.

Ceci conclut l'article ici. J'espère que vous avez maintenant une brève idée de ce qu'est l'équilibrage de cellules et de la façon dont il est implémenté au niveau matériel et logiciel. Si vous avez des idées ou des techniques, partagez-les dans la section des commentaires ou utilisez les forums pour obtenir de l'aide technique.