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Présentation générale

Les batteries lithium-ion nécessitent de prendre maintes précautions si l’on veut qu’elles fonctionnent de manière fiable sur une longue durée. Elles ne peuvent pas être utilisées jusqu’à l’extrême limite de leur état de charge (State-of-Charge ou SOC). Les capacités des différents accumulateurs lithium-ion diminuent et divergent entre elles au cours du temps et de la durée d’utilisation, et chaque accumulateur dans un système doit être géré pour maintenir son SOC dans des limites fixes. Pour fournir suffisamment d’énergie à un véhicule, des dizaines ou des centaines d’éléments de batterie sont nécessaires. Ces éléments sont arrangés en une longue série qui peut fournir jusqu’à 1000V et au delà. L’électronique de batterie doit pouvoir fonctionner en présence de ces très hautes tensions et repousser les effets de tension de mode commun, tout en mesurant et en contrôlant de manière différenciée chaque élément de la série.

L’électronique doit pouvoir translater les informations de la batterie d’accumulateurs à un point central où elles seront traitées. De plus, utiliser une batterie d’accumulateurs à haute tension dans un véhicule ou dans d’autres applications de haute puissance, impose à l’électronique de fonctionner dans des conditions difficiles, en présence d’un bruit électrique important et sur une large plage de températures. L’électronique de gestion de la batterie doit avoir la plage de fonctionnement la plus étendue possible, la durée de vie la plus longue possible, et garantir un maximum de sécurité et de fiabilité, tout en minimisant les coûts, l’encombrement et le poids.

En 2008, Linear Technology annonçait le premier moniteur de batterie d’accumulateurs hautes performances, le LTC6802. Les caractéristiques clés du LTC6802 sont, entre autres, sa capacité à mesurer jusqu’à 12 accumulateurs Li-ion avec une erreur de mesure totale maximum de 0,25% en 13ms, et la possibilité d’en connecter un grand nombre en série, pour réaliser simultanément le suivi de chaque accumulateur parmi un très grand nombre d’accumulateurs à haute tension branchés en série. Partant du LTC6802, Linear Technology a apporté au fil des ans, de nombreuses améliorations à ces circuits intégrés. Tous ces dispositifs sont prévus pour la gestion de précision des batteries dans les véhicules hybrides/électriques (VHE) et les véhicules électriques (VE), et d’autres batteries d’accumulateurs haute tension et haute puissance.

Le gestionnaire de batterie d’accumulateurs haute tension à la pointe de la technologie

Le LTC6811 est le plus récent des gestionnaires de batterie d’accumulateurs de Linear Technology, et il intègre une référence de tension ultrastable, des multiplexeurs haute tension, des CAN delta-sigma à 16 bits et une interface série isolée à 1Mbit/s. Un seul LTC6811 mesure jusqu’à 12 tensions d’éléments de batterie connectés en série, avec une précision supérieure à 0,04%. Avec les 8 paramètres programmables de son filtre passe-bas du 3ème ordre, le LTC6811 effectue une réduction du niveau de bruit remarquable. Dans le mode CAN le plus rapide, les tensions de tous les éléments peuvent être mesurées en 290μs.

Plusieurs LTC6811 peuvent être interconnectés et fonctionner simultanément, à l’aide de l’interface 2 fils isoSPI propriétaire de Linear Technology. Intégrée dans chaque LTC6811, l’interface isoSPI assure une immunité élevée au bruit RF jusqu’à 1Mbit/s et sur 100 mètres de câble, en utilisant simplement une paire torsadée. Deux options de communications sont proposées. Avec le LTC6811-1, de nombreux dispositifs sont connectés en série avec une connexion au processeur hôte pour tous les dispositifs.

Avec le LTC6811-2, de nombreux dispositifs sont connectés en parallèle avec le processeur hôte, qui s’adresse alors à chaque dispositif individuellement. Le LTC6811 est entièrement spécifié pour fonctionner de –40°C à 125°C. Il a été rendu compatible avec les systèmes ISO 26262 (ASIL) avec une couverture des dysfonctionnements latents via sa référence de tension redondante, des circuits de tests logiques, le test de recoupement de canaux, la possibilité d’une détection de câble ouvert, une minuterie chien de garde et une recherche d’erreur de paquets de données sur l’interface série. Pour les réalisations actuelles qui utilisent le gestionnaire de batterie d’accumulateurs LTC6804 de Linear Technology, le LTC6811 est un circuit de remplacement avec davantage de fréquences de coupure de filtre, de caractéristiques de contrôle d’équilibrage passif et actif, de nouvelles commandes par CAN et une meilleure couverture des erreurs pour la sécurité.

ISO 26262 et la sécurité fonctionnelle Le LTC6811 permet de réaliser des systèmes d’une haute fiabilité, haute stabilité et haute précision de mesure, prévus pour des années de fonctionnement dans un environnement électriquement bruyant, de hautes tensions, de températures extrêmes et où s’effectuent des débranchements en présence de tension. Le LTC6811 est également conforme aux exigences de la sécurité fonctionnelle automobile, telle qu’elles sont définies dans la norme ISO 26262. La norme ISO 26262 traite systématiquement tous les dangers potentiels présents dans une automobile, causés par un dysfonctionnement des systèmes électroniques et électriques. Cela impose au système d’être capable de confirmer en permanence le bon fonctionnement de l’électronique la plus fondamentale, comme celle qui effectue la mesure de tension des éléments. Dans ce but, le LTC6811 incorpore des fonctionnalités étendues de diagnostic interne pour vérifier le bon fonctionnement :

 Détection de câble ouvert entre l’élément de batterie et le gestionnaire,

 Référence de tension auxiliaire pour confirmer la précision de ±5mV de la référence de tension principale,

 Mesure de la tension de la batterie de 12 accumulateurs pour confirmer la précision de mesure de ±0,25% de chaque élément,

 Mesures sur deux canaux pour confirmer la précision de 0,01% du multiplexeur et des CAN,

 Mesures simultanées sur deux filtres pour confirmer le bon fonctionnement des filtres,

 Mesure de tension d’alimentation interne,

 Auto-tests de mémoire,

 Suivi redondant par l’intermédiaire de dispositifs externes et à capteurs en utilisant les E/S universelles.

Précision

Pour obtenir une précision exceptionnelle, le LTC6811 intègre une référence de tension à diode Zener enterrée dédiée. Les références de tension à diode Zener enterrée présentent une stabilité et une précision remarquables à long terme, au cours du temps et en cas de variation des autres conditions de fonctionnement. Il en résulte que le LTC6811 peut mesurer chaque élément de batterie avec une précision supérieure à 1,2mV.

De plus, le LTC6811 garantit une précision de mesure extraordinaire, même en présence de bruit, en filtrant le bruit de la tension de chaque élément de batterie. Ce filtrage est accompli à l’aide de convertisseurs analogiques-numériques delta sigma. Avec un convertisseur delta sigma, l’entrée est échantillonnée de nombreuses fois au cours de la conversion, puis filtrée numériquement. Le résultat est intégré dans un processus de filtrage passe-bas pour éliminer le bruit, source d’erreur de mesure ; la fréquence de coupure du filtre est déterminée par le taux d’échantillonnage. Le LTC6811 utilise un CAN delta-sigma du 3ème ordre rapide avec taux d’échantillonnage programmables et 8 fréquences de coupures possibles à sélectionner. Ainsi, une réduction impressionnante du bruit et l’accès à 8 cadences de mesure programmables sont possibles, permettant la mesure des 12 éléments de batterie en 290μs seulement.

Fonctionnalité supplémentaire

Le LTC6811 est conçu pour être utilisé à l’emplacement le plus stratégique du système de batterie, c’est-à-dire connecté directement aux éléments de batterie. Placé ainsi entre le microprocesseur du BMS et les dispositifs périphériques, le LTC6811 peut contrôler des capteurs de batterie comme des capteurs de courant ou de température, et corréler directement les valeurs de ces paramètres à celles des mesures relevées sur les éléments de batterie. Le LTC6811 tire profit de sa position privilégiée de plusieurs manières.

Le LTC6811 est équipé d’E/S d’usage général très polyvalentes qui peuvent fonctionner comme entrées numériques, sorties numériques ou entrées analogiques. Lorsqu’elles sont utilisées comme entrées analogiques, le LTC6811 peut mesurer n’importe quelle tension comprise entre V- et 5V avec la même précision de mesure que pour l’élément de batterie. De plus, le LTC6811 permet de synchroniser les mesures des éléments de batterie avec ces signaux externes ou avec la tension de la batterie de 12 accumulateurs. Le LTC6811 présente également une fonctionnalité intégrée de contrôle de dispositifs esclaves I2C ou SPI, par l’intermédiaire des E/S numériques. Cela permet au LTC6811 de contrôler des dispositifs aux fonctions plus complexes, telles que des multiplexeurs pour multiplier les entrées analogiques ou une EEPROM pour stocker les informations de calibration. Le LTC6811 comprend des FET d’équilibrage passif interne pour décharger les éléments de batterie individuellement, ou pour contrôler directement des FET de haute puissance externes plus gros.

Le LTC6811 peut être configuré pour décharger les éléments lorsque ceux-ci sont dans un état de fonctionnement à basse consommation, comme lorsque la batterie d’accumulateurs est au repos. Par ailleurs, la décharge de chaque élément peut être mise en route indépendamment pour une durée spécifique. Ceci permet l’équilibrage sur une longue période de temps pendant laquelle le gestionnaire de batterie n’est pas actif. Ces mêmes broches d’équilibrage peuvent être utilisées comme interface série pour commander des circuits d’équilibrage actifs LT8584 de Linear Technology. Le LT8584 est un convertisseur CC/CC, à récupération d’énergie, monolithique, qui permet la récupération de la capacité des batteries d’accumulateurs à éléments de capacités inégales, à plus de 99%.

En utilisant sa fonctionnalité SPI maître, le LTC6811 peut s’interfacer avec le circuit intégré d’équilibrage actif compatible SPI de Linear Technology, le LTC3300. Le LTC3300 est un circuit intégré contrôleur avec protection contre les dysfonctionnements, pour l’équilibrage bidirectionnel actif, capable de transférer efficacement la charge à des éléments ou provenant d’éléments adjacents, pour 12 éléments ou plus.

Pour intégrer les fonctionnalités du LTC6811 et raccourcir le temps de développement, le LTC6811 est entièrement compatible avec la nouvelle carte Linduino One de Linear Technology. La Linduino™ One est une carte de microcontrôleur compatible avec l’Arduino Uno, qui comprend un port USB, entièrement isolé, et se connecte directement à la carte de démonstration du LTC6811. Avec un programme de chargement embarqué pour des mises à jour rapides du micrologiciel in-circuit, cette plateforme se présente comme une plateforme de développement simple et stable. Puisque Arduino est une plateforme open source, les concepteurs de BMS peuvent avoir facilement accès à l’environnement puissant et simple de développement intégré d’Arduino (IDE).

Une bibliothèque de logiciels, appelée le bms

Sketchbook, propose des échantillons de programmes pour le LTC6811, conçus pour être compilés dans n’importe quel compilateur C standard. Le bmsSketchbook comprend par exemple des programmes pour lire et écrire une configuration, lire et écrire des tensions d’éléments de batterie, faire tourner des auto-tests, des tests de redondance et contrôler l’équilibrage passif.

Résumé

Le LTC6811 de Linear Technology est un gestionnaire de batterie d’accumulateurs haute performance de la 4ème génération. Le LTC6811 est compatible au niveau des broches et du logiciel avec le LTC6804 de la génération précédente. Par rapport au LTC6804, le LTC6811 est moins coûteux et présente davantage de fréquences de coupure de filtre et de caractéristiques de contrôle d’équilibrage passif et actif, des nouvelles commandes par CAN et une meilleure couverture des erreurs pour la sécurité. Le LTC6811 est aussi entièrement compatible avec la nouvelle carte Linduino™ One pour l’évaluation et le développement.