Comment la fusion de capteurs peut améliorer les performances du système de gestion de batterie et la durée de vie des batteries

La fusion de capteurs peut être un outil très utile lors de la conception de systèmes de gestion de batterie (BMS) pour des applications telles que les véhicules électriques (VE), les systèmes de stockage d'énergie sur batteries (BESS) à l'échelle résidentielle et utilitaire, et les robots mobiles autonomes (AMR). Par exemple, afin de maximiser les performances et la durée de vie des batteries, l'état de charge (SoC) et l'état de santé (SoH) sont des caractéristiques importantes qui doivent être surveillées et gérées par le BMS. Pour connaître le SoC et le SoH d'une batterie, vous pouvez appliquer des techniques de fusion de capteurs qui combinent les mesures de tension, de courant et de température en temps réel.

Toutefois, pour obtenir des résultats optimaux, les capteurs du BMS doivent être très précis et résistants à l'environnement. Même de petites erreurs de capteur peuvent avoir un effet cumulatif au fil du temps, ce qui entraîne des estimations incorrectes du SoC et du SoH. De plus, les calculs du SoC et du SoH doivent tenir compte des taux de charge et de décharge, ainsi que de l'historique de la température des cellules. Chacun de ces défis peut être relevé grâce à la fusion de capteurs.

Examinons rapidement ce que l'on entend par SoC et SoH et les méthodes de calcul, notamment l'impact que les variations de température peuvent avoir sur la précision. Nous verrons ensuite comment la fusion de capteurs peut améliorer les performances des BMS et présenterons quelques exemples de capteurs de tension, de courant et de température que vous pouvez utiliser pour les conceptions de BMS automobiles et industriels.

Définition de SoC et de SoH

Le SoC est simplement la quantité de charge d'une batterie. Les batteries au lithium (Li) ont des courbes de décharge très plates et leur tension est presque constante jusqu'à ce qu'elles soient déchargées à environ 80 % ; la mesure de la tension de sortie n'est donc pas un moyen utile de mesurer le SoC. Pour mesurer le SoC, le BMS doit surveiller le flux de courant et mesurer les coulombs entrant et sortant de la batterie.

Alors que le SoC est une quantité mesurée, le SoH est une estimation de la capacité existante de la batterie en pourcentage de sa capacité lorsqu'elle était neuve. De nombreux algorithmes ont été développés pour estimer le SoH, et tous reposent sur la fusion de capteurs. Les paramètres fréquemment utilisés dans les algorithmes de SoH incluent les suivants :

• Impédance
• Taux d'autodécharge
• Capacité à accepter une charge
• Nombre de cycles de charge/décharge
• Âge de la batterie
• Historique de température de la batterie
• Énergie cumulée chargée et déchargée

La fusion de capteurs pour le SoC et le SoH est implémentée à l'aide de capteurs répartis dans l'ensemble du système de batterie, notamment des capteurs de température dans les blocs individuels, des capteurs de tension et de température dans les moniteurs de batteries multicellulaires, des moniteurs de courant dans le bus de distribution d'énergie haute tension (HT) et des capteurs de détection de haute tension et de température centralisés dans l'unité de commande principale (Figure 1). Pour obtenir des calculs précis du SoC et du SoH, vous avez besoin de capteurs très précis et stables dans le temps, capables de fonctionner dans des conditions difficiles.

Figure 1 : Divers capteurs de température, de tension et de courant (en vert) sont nécessaires pour assurer la fusion de capteurs dans un BMS. (Source de l'image : Vishay)

La bonne nouvelle est que Vishay offre une vaste gamme de composants pour soutenir vos activités de conception de BMS. Les capteurs suivants ne font qu'effleurer les multiples possibilités.

Détection du courant de bus HT

Les résistances série WSLP sont bien adaptées à une utilisation en tant que shunts de détection de courant de bus HT. Elles permettent une détection de haute précision dans les applications à haute température avec des coefficients de température de seulement 75 parties par million par degré Celsius (ppm/°C), et une force électromotrice (EMF) thermique inférieure à 3 microvolts (µV) par °C. Elles sont disponibles avec des valeurs de résistance s'étendant de 0,0002 à 0,1 ohm (Ω). Les shunts de puissance WSBS/WSBM constituent un autre choix pour la détection de courant de bus HT. Ils présentent des valeurs de résistance allant jusqu'à 25 micro-ohms (µΩ) et peuvent gérer des impulsions supérieures à 2 kiloampères (kA). De plus, les résistances de puissance à bande métallique WSK1216 ont une conception à quatre bornes, avec une tolérance de 1 % et des valeurs allant jusqu'à 0,0002 Ω.

Détection de tension

Les résistances à couches minces comme le dispositif MCA1206MD5004BP500 de 5 méga-ohms (MΩ) peuvent être utilisées pour la détection HT dans l'unité de commande principale et dans les moniteurs de batterie. Des valeurs de résistance de 1 Ω à 10 MΩ sont disponibles dans cette gamme de dispositifs de grade automobile. Les dispositifs sont disponibles avec des plages de températures de fonctionnement de -55°C à +175°C et des coefficients de température de seulement ±10 ppm par kelvin (ppm/K). Les résistances TNPW à couches minces haute stabilité sont conçues pour être utilisées lorsque la précision et la stabilité à long terme sont requises. Elles présentent une faible dérive résistive ≤ 0,05 % après un test de durée de vie de 1000 heures.

Capteurs de température

Vishay propose également une variété de capteurs de température adaptés à des applications BMS spécifiques, comme les capteurs de température à cosse de la série NTCALUG qui sont conçus pour les applications de détection de la température de surface (Figure 2). Ils combinent un isolement électrique et un contact thermique solide, fournissant des mesures précises et fiables de -40°C à +150°C.

Les circuits de surveillance des batteries et les conceptions d'unités de commande principales peuvent tirer parti de la série NTCS de thermistances CTN à montage en surface enrobées de verre pour garantir la protection environnementale. Ces dispositifs permettent une détection haute sensibilité et haute précision de -40°C à +150°C. Ils utilisent une technologie à base de céramique et sont disponibles en trois tailles : 0402, 0603 et 0805.

Figure 2 : Vishay propose une variété de styles de conditionnement de capteurs de température, notamment des capteurs de température CTN à cosse (à gauche) et à montage en surface (à droite) (non à l'échelle). (Source de l'image : Vishay)

Conclusion

La fusion de capteurs est utile dans un BMS pour mesurer les tensions, les courants et les températures afin de permettre une détermination précise du SoC et du SoH de la batterie, d'étendre la durée de vie de la batterie et de maximiser les performances du système de batterie. Comme illustré, Vishay propose une gamme complète de capteurs précis et résistants à l'environnement, ainsi que d'autres composants adaptés aux conceptions de BMS hautes performances.

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