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Construire un simulateur de batterie électronique

Un simulateur de batterie : pour quoi faire ?

De nombreux produits nouveaux incorporent des batteries à base de lithium pour bénéficier de leurs hautes performances et de leur légèreté. En fait, de nombreuses applications parmi les plus sophistiquées utilisent une multitude de batteries connectées ensemble pour obtenir la tension de fonctionnement voulue, souvent des centaines de volts. Puisque les batteries au lithium sont sujettes à des effets néfastes en cas de surcharge ou de décharge profonde, ces blocs de batteries en série possèdent des systèmes de contrôle, chargés de garder un œil sur la tension de chaque batterie pour éviter ce genre de problèmes. Le processus de développement de ces systèmes de contrôle de batteries multiples (BMS) nécessite un moyen approprié de stimuler le circuit pour tester l’efficacité des algorithmes de contrôle et de protection. Dans le cas idéal, des batteries réelles serviraient de stimulus, mais faire varier l’état de charge pour déclencher les différentes actions du BMS deviendrait un processus lent et lourd. Des alimentations de laboratoire multiples sont souvent utilisées, mais c’est une solution très chère. Donc, souvent, pour de simples tests de fonctionnement, des chaînes de résistances sont polarisées uniquement pour fournir une simulation rudimentaire des batteries. Ces chaînes de résistances ont des limitations importantes puisqu’elles présentent une résistance de source assez élevée, et introduisent ainsi des artéfacts liés au système qui ne sont pas représentatifs des batteries réelles. Cependant, même avec des alimentations spécialisées, si le système en cours de test comporte un équilibrage actif des batteries, alors les alimentations doivent pouvoir supporter un courant de charge virtuel (c’est-à-dire un renversement du sens du courant). Au bout du compte, il est souhaitable d’avoir accès à une multitude de simulateurs de batterie compacts pour permettre de tester facilement les fonctionnalités du BMS. Avoir accès à un simulateur de batterie est également utile du fait qu’il peut être transporté facilement par avion quand il doit être utilisé loin du laboratoire, alors qu’un bloc de batteries au lithium doit être expédié normalement par bateau.

Choisir un circuit pratique

Les principales caractéristiques requises sont une faible impédance de source et un fonctionnement sur deux quadrants (tension positive mais courant bidirectionnel, pour pouvoir simuler les deux directions de charge et de décharge). Il faut aussi pouvoir isoler chaque simulateur de batterie pour pouvoir les connecter en série comme le vrai bloc de batteries. Cette dernière caractéristique suggère l’utilisation de transformateurs et, pour des raisons d’encombrement, une architecture du type à découpage. Il existe une topologie à découpage en particulier, qui offre à la fois l’isolation et le fonctionnement sur deux quadrants : le convertisseur flyback synchrone.
Dans un convertisseur flyback simple utilisé comme élévateur de tension, un interrupteur placé du côté low-side fonctionne selon un cycle qui établit le courant de sortie sur une section en sortie comme indiqué figure 1. Sous cette forme idéalisée, la diode redresseur conduit pendant que l’interrupteur est ouvert et permet au courant de sortie de circuler dans l’inductance alors que l’énergie magnétique est transférée vers le condensateur de sortie d’une manière unidirectionnelle. Pendant la régulation, l’interrupteur subit un pic de tension de flyback supérieur de dV au-dessus du 12V d’alimentation, où dV est de l’ordre de grandeur de la tension d’alimentation dans la plupart des conceptions.

P336-Fig 1

Pour isoler le convertisseur, nous remplaçons l’inductance par un transformateur, comme montré figure 2, pour que la sortie apparaisse au secondaire. Alors que la sortie est maintenant isolée, l’énergie magnétique transférée est la même que dans le cas de l’inductance. Le rapport de transformation N du transformateur est choisi pour optimiser le fonctionnement avec les tensions d’entrée et de sortie désirées. Ici encore, l’interrupteur est soumis à un pic de tension de flyback de dV au-dessus des 12V de l’alimentation. Notez que ce circuit ne peut pas empêcher que la tension de sortie soit forcée au-dessus du point de consigne par un courant externe (ceci ne permet le fonctionnement que dans un seul quadrant uniquement).

P336-Fig2

Une version synchrone est créée quand le redresseur est remplacé par un autre interrupteur, comme dans la figure 3. Ceci, à la fois, améliore l’efficacité, puisque l’interrupteur dissipe moins de puissance qu’une diode passante, et crée un deuxième quadrant de fonctionnement parce que le circuit est maintenant symétrique. Ce circuit accepte un courant en inverse dans le secondaire, qui induit un courant de flyback dans l’enroulement primaire en retour vers l’alimentation principale, ainsi la sortie se maintient à son point de consigne même avec un courant de sortie inversé forcé. Il faut savoir aussi que l’alimentation source du circuit peut également subir un courant inverse si la batterie simulée est “chargée” excessivement (courant circulant vers la tension de sortie positive). Puisque les sorties sont toutes isolées, la puissance de la source peut être partagée entre tous les circuits, aussi nombreux qu’ils soient, ce qui présente l’avantage de n’utiliser qu’une seule alimentation pour fournir la puissance au jeu complet de batterie. La connexion d’un tel jeu renforce les pertes parasites du circuit et il devient alors improbable qu’une alimentation source subisse une inversion de courant dans des conditions normales d’utilisation (c’est-à-dire tant que la puissance de ‘charge’ nette < pertes totales en fonctionnement).

P336-Fig3

Examen en détail

Le LT3837 de Linear Technology est un des circuits intégrés les mieux adaptés à cette fonction de convertisseur. L’application classique de ce circuit est de fournir des tensions faibles équivalentes à celles des batteries, à plusieurs ampères, à partir de rails d’alimentation à plus haute tension. La seule différence est que pour la fonction du simulateur de batterie, nous souhaitons une tension de sortie réglable. Puisque des alimentations de haute puissance clés en main sont disponibles à 12V, nous pouvons optimiser la conception pour les utiliser comme source. Comme l’éventail de compositions chimiques des batteries au lithium permet de couvrir une plage de tension d’un peu moins de 2V à un peu plus de 4V, nous pouvons établir une plage de réglage correspondante qui offre une souplesse d’utilisation et la possibilité de simuler une large gamme d’états de charge.

Figure 4 montre une section d’un jeu de batterie avec le détail de chaque élément. Pour permettre le réglage de la tension, le circuit de rétroaction accepte le signal de contrôle d’un ampli op tel que zéro volt représente une sortie d’environ 4,2V et une commande de 3V une sortie d’environ 1,9V. Pour un bon contrôle par l’utilisateur, chaque circuit de batterie est configuré pour posséder un réglage fin de type “vernier” et un ensemble de batteries est contrôlé par groupe avec un réglage grossier et un réglage fin (le signal de réglage maître MCTL peut être connecté à plusieurs sections de convertisseur). Pour les valeurs indiquées, le réglage grossier de groupe de la tension de sortie est d’environ 0,9V, le réglage fin 0,15V, et les verniers de batterie sont d’environ 0,1V, donc collectivement, la plage maximale désirée est atteinte (pour pouvoir assurer un contrôle des verniers, la fonctionnalité de contrôle des batteries de manière croisée jusqu’aux extrêmes limites a été sacrifiée). Tous les circuits de contrôle sont alimentés en 3,3V dérivé de l’alimentation 12V. Pour un contrôle de la tension informatisé, les signaux de l’ampli op peuvent être remplacés par des CNA tel que le LTC2668 à 16 canaux.

lb088b

Q101 et T100 sont les principaux éléments flyback, Q102 étant le redresseur synchrone. Pour un contrôle isolé et rapide de Q102, la grille est commandée par T101 par l’intermédiaire des buffers de courant Q103 et Q104. Le niveau de rétroaction est ajusté avec un enroulement auxiliaire dans T100. Une résistance série de 10m? est comprise dans la sortie pour permettre les mesures de courant en effectuant des connexions à deux fils à un voltmètre pour une mesure quatre points (en utilisant les signaux I+ et I-). L’impédance totale de sortie du circuit est environ 25m? et ce qui lui permet de fournir un respectable ±6A. Les pertes statiques sont d’environ 1 W par section de batterie, donc avec un ensemble de 24 batteries, la probabilité d’inversion d’alimentation à 12V est minimale et le niveau de puissance est bien dimensionné pour une alimentation prête à l’utilisation 12V/300W telle que la TDK-Lambda SWS300-12.

Conclusion

Construire un simulateur de batterie se présente comme une solution pratique pour avoir à sa disposition un outil de développement BMS à haute densité et facilement transportable. Un simulateur de 24 batteries peut être conditionné avec une alimentation de 12V dans un châssis de 2RU à monter sur bâti, et fournir des tensions réglées avec précision sur une plage de 1,9V à 4,2V, avec un courant jusqu’à ±6A.

Auteur : Jon Munson Ingénieur applications Linear Technology

Source: Zellercom.com