Bien sûr. Au-delà du concept de base d'un BMS, la compréhension de la partie "équilibreur actif intelligent" nécessite de plonger dans les détails techniques. C'est là que la véritable ingénierie se produit.
Décomposons les connaissances techniques en domaines clés : Principes de base, Topologie et circuits, Systèmes de contrôle et Communication et intelligence.
1. Principes de base : Le "Actif" dans l'équilibrage actif
L'objectif fondamental est de déplacer l'énergie des cellules les plus chargées vers les cellules les moins chargées.
• Équilibrage passif (La base) : Gaspille l'excès d'énergie des cellules les plus chargées sous forme de chaleur via une résistance (généralement pendant la phase de charge CV). C'est simple et peu coûteux, mais inefficace, en particulier pour les grands packs ou les déséquilibres importants.
• Équilibrage actif (La méthode avancée) : Transfère l'énergie entre les cellules. C'est beaucoup plus efficace et peut fonctionner pendant la charge, la décharge et même au repos.
Indicateurs clés pour les équilibreurs actifs :
• Courant d'équilibrage : C'est la spécification la plus critique. Le passif peut être de 0,1 à 0,2 A, tandis que les équilibreurs actifs peuvent aller de 1 A à plus de 20 A.
• Efficacité : Le rapport entre l'énergie fournie à la cellule basse et l'énergie prélevée sur la cellule haute. Les bons équilibreurs actifs ont une efficacité > 90 %.
• Courant de repos : Le courant que l'équilibreur lui-même consomme lorsqu'il est inactif. Un BMS intelligent doit avoir un courant de repos très faible pour ne pas vider le pack pendant le stockage.
Enerkey se concentre uniquement sur l'équilibrage actif. Nous avons de nombreux types d'équilibreurs actifs. Veuillez voir ci-dessous :
2. Topologie et circuits : Comment l'énergie est déplacée
C'est le cœur des connaissances techniques. Différentes conceptions de circuits utilisent différents composants pour déplacer l'énergie.
Topologies d'équilibrage actif courantes :
a) Capacitif (Capaciteur commuté / Navette de charge)
• Principe : Utilise des condensateurs volants (ou un réseau de ceux-ci) pour "navetter" la charge entre les cellules adjacentes.
• Processus : Un condensateur est connecté à une cellule haute tension et chargé. Il est ensuite déconnecté et connecté à une cellule basse tension, se déchargeant en elle. Cela se répète rapidement.
• Avantages : Simple, relativement peu coûteux, pas de composants magnétiques.
• Inconvénients : Le courant d'équilibrage diminue à mesure que les tensions des cellules s'égalisent. Idéal pour les cellules adjacentes ; l'équilibrage sur une longue chaîne est lent.
• Composants clés : MOSFET (en tant qu'interrupteurs), Condensateurs.
b) Inductif (Basé sur un convertisseur DC-DC)
C'est la méthode la plus courante et la plus puissante pour les systèmes haute performance. Il existe deux implémentations principales :
• i) Transformateur unique par paire de cellules (Convertisseur Flyback bidirectionnel)
o Principe : Chaque cellule (ou paire de cellules adjacentes) possède un petit transformateur. L'énergie est stockée dans le champ magnétique du transformateur à partir de la cellule haute, puis libérée vers la cellule basse.
o Avantages : Peut équilibrer n'importe quelle cellule du pack avec n'importe quelle autre cellule, pas seulement les voisines. Très rapide et flexible.
o Inconvénients : Plus complexe et coûteux en raison de multiples transformateurs et circuits de contrôle.
o Composants clés : Transformateurs, MOSFET, Diodes, CI de contrôle.
• ii) Transformateur multi-enroulements (Noyau unique)
o Principe : Un seul transformateur avec un enroulement primaire pour l'ensemble du pack et un enroulement secondaire pour chaque cellule.
o Avantages : Peut équilibrer toutes les cellules simultanément. Très élégant et potentiellement rentable pour les nombres de cellules élevés.
o Inconvénients : Conception et fabrication complexes du transformateur. La défaillance du transformateur unique désactive l'ensemble du système d'équilibrage.
o Composants clés : Transformateur multi-enroulements personnalisé, MOSFET.
c) Convertisseur DC-DC avec bus de stockage d'énergie
• Principe : Utilise un convertisseur DC-DC bidirectionnel pour prélever l'énergie des cellules les plus chargées et la déverser sur un "bus" commun (qui pourrait être l'ensemble du pack ou un condensateur de stockage dédié). Un autre convertisseur prélève ensuite l'énergie de ce bus pour alimenter les cellules les moins chargées.
• Avantages : Très flexible, peut transférer de grandes quantités d'énergie entre n'importe quelles cellules.
• Inconvénients : Complexité et coût les plus élevés.
3. Système de contrôle et algorithmes : La partie "intelligente"
Un équilibreur "stupide" s'allume simplement. Un équilibreur intelligent décide quand, comment et pendant combien de temps équilibrer.
• Déclencheur d'équilibrage :
o Différentiel de tension : La méthode la plus courante. Démarre l'équilibrage lorsque la différence de tension entre la cellule la plus haute et la cellule la plus basse dépasse un seuil défini (par exemple, 10 mV).
o Différentiel d'état de charge (SoC) : Plus avancé et précis. Utilise un filtre de Kalman ou un comptage de Coulomb pour estimer la véritable teneur en énergie de chaque cellule et équilibre en fonction du SoC. C'est supérieur car la tension peut être un indicateur trompeur en charge.
• Stratégie d'équilibrage :
o Équilibrage par le haut : Draine l'énergie des cellules les plus chargées jusqu'au niveau des autres.
o Équilibrage par le bas : Ajoute de l'énergie aux cellules les moins chargées jusqu'au niveau des autres. (Moins courant avec l'équilibrage actif).
o Équilibrage moyen : Déplace l'énergie pour amener toutes les cellules à la tension/SoC moyenne du pack.
• Boucles de contrôle PID : Le courant d'équilibrage n'est pas simplement activé/désactivé. Un système intelligent utilise un contrôleur proportionnel-intégral-dérivé (PID) pour moduler la puissance d'équilibrage en douceur, en évitant le dépassement et l'oscillation.
4. Communication et intégration du système
Un BMS intelligent ne fonctionne pas dans le vide.
• Microcontrôleur (MCU) : Le cerveau. Il exécute les algorithmes d'équilibrage, surveille les paramètres des cellules et gère la communication.
o CAN (Convertisseur analogique-numérique) : La qualité du CAN du MCU est essentielle pour une mesure précise de la tension, qui est la base d'un bon équilibrage.
• Protocoles de communication :
o Bus CAN (Controller Area Network) : La norme industrielle. Utilisé dans les VE, les systèmes de stockage d'énergie. Robuste, insensible au bruit et permet à plusieurs appareils de communiquer.
o UART/RS485 : Courant pour les systèmes de bricolage et les systèmes plus petits (souvent ce que les applications "Smart BMS" utilisent via Bluetooth).
o SMBus / I2C : Utilisé pour la communication entre les puces internes ou avec des chargeurs intelligents.
• Enregistrement des données : Un BMS intelligent enregistrera les données (tensions min/max des cellules, températures, temps d'équilibrage, codes d'erreur) qui sont inestimables pour le diagnostic et la maintenance prédictive.
Spécifications techniques clés pour analyser un équilibreur actif intelligent :
Lors de l'évaluation d'un BMS, recherchez ces spécifications :
1. Topologie : Capacitive ? Inductive ? (L'inductif est généralement supérieur pour les besoins en courant élevé).
2. Courant d'équilibrage continu maximal : par exemple, "5A". Cela vous indique sa puissance.
3. Efficacité d'équilibrage : par exemple, ">92%".
4. Méthode d'équilibrage : Quand équilibre-t-il ? (Charge/Décharge/Statique, et basé sur la tension/SoC).
5. Précision de la mesure de la tension : par exemple, "±2mV". Crucial pour un équilibrage précis.
6. Interface de communication : CAN, UART, Bluetooth ?
7. Courant de repos : par exemple, "<200µA".
Considérations pratiques :
• Dissipation thermique : Le déplacement de 5 à 10 A de courant génère de la chaleur. Le BMS doit avoir une conception thermique appropriée (dissipateurs thermiques, coulées de cuivre PCB).
• EMI/EMC : La commutation haute fréquence des équilibreurs actifs peut générer des interférences électromagnétiques. Une bonne conception comprend un blindage et un filtrage pour répondre aux normes réglementaires.
• Tolérance aux pannes : Que se passe-t-il si un MOSFET de commutation tombe en court-circuit ? Les bonnes conceptions incluent une protection pour éviter un court-circuit catastrophique d'une cellule.
En résumé, l'"équilibreur actif intelligent" est un système d'électronique de puissance sophistiqué. Il combine la conception de convertisseurs DC-DC haute fréquence, une mesure analogique de précision, des algorithmes de contrôle avancés et des protocoles de communication robustes pour maximiser les performances, la sécurité et la durée de vie d'un pack de batteries. Pour aller plus loin, je recommande d'étudier les topologies de convertisseurs DC-DC (en particulier Flyback et Buck-Boost) et les systèmes de contrôle embarqués.
Enerkey a développé une technologie d'équilibrage actif intelligent pour les batteries au lithium dans les drones, y compris la carte d'équilibrage actif à condensateur Fit, une technologie brevetée. Cette technologie est également utilisée pour la protection et la gestion des packs de batteries de stockage d'énergie dans les dispositifs médicaux, les packs de batteries de stockage d'énergie domestique et la protection anti-refoulement parallèle pour les packs de batteries dans les équipements d'infrastructure de télécommunications.
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