Qu'est-ce que l'équilibrage des cellules dans les batteries ?

Équilibrage actif et équilibrage passif : deux technologies d’équilibrage

Actuellement, les véhicules électriques utilisent généralement des batteries lithium-ion. La capacité et la tension de leurs cellules varient considérablement, ce qui engendre des variations lors des cycles de charge et de décharge. Il en résulte une autonomie réduite et une durée de vie moindre de la batterie. Batterie de puissance La batterie lithium-fer-phosphate est couramment utilisée dans les véhicules électriques.

Ce qui entraîne une réduction de l'autonomie des véhicules électriques

Comme la batterie lithium-fer-phosphate est une batterie secondaire, des variations peuvent survenir lors des cycles de charge et de décharge. Ceci est dû aux différences de résistance interne et de résistivité des cellules. Pour résoudre ce problème, il est nécessaire d'équilibrer les cellules afin de minimiser autant que possible ces variations.partenaireActuellement, il existe deux méthodes d'équilibrage courantes : l'équilibrage actif et l'équilibrage passif.

Il est nécessaire d'équilibrer les cellules individuelles.

L'équilibrage actif consiste à équilibrer la tension à l'aide d'un circuit composé d'un circuit intégré et d'une puce de contrôle. Contrairement à l'équilibrage passif, il ne nécessite aucune modification de l'état d'autres dispositifs ou composants et présente l'avantage d'une mise en œuvre simple, d'un faible coût et d'une absence d'impact sur la batterie.

Simple, peu coûteux et sans impact sur la batterie.

Cependant, en raison des importantes différences de résistance et de capacité entre les cellules, le circuit d'équilibrage actif doit uniformiser la tension de chaque cellule à l'aide d'un transformateur. Ceci implique l'ajout de dispositifs de commutation entre le transistor, le transformateur et la puce de contrôle. De plus, le contrôle et l'échantillonnage synchrones de chaque cellule complexifient le circuit et augmentent son coût.

Cela nécessite l'ajout d'un ensemble de dispositifs de commutation de puissance entre le tube de commutation, le transformateur et la puce de contrôle.

L'équilibrage passif consiste à convertir la tension de chaque cellule sans modifier l'état de la batterie, puis à comparer les valeurs de tension obtenues. Cette méthode repose principalement sur la détection de la différence de tension entre les cellules.

 

Comparaison des valeurs de tension converties

Comparativement à l'équilibrage actif, l'équilibrage passif nécessite la modification de l'état d'autres dispositifs ou composants, ce qui accroît la complexité et le coût du circuit. De plus, la détection de la différence de tension entre chaque cellule, nécessaire à l'équilibrage, requiert un système d'acquisition supplémentaire ; la mesure de la résistance interne et de la résistivité de la cellule nécessite également un module d'acquisition d'énergie.

De plus, comme il est nécessaire de détecter la différence de tension de chaque cellule pour parvenir à l'équilibre, un système d'acquisition supplémentaire est requis.

Comme il est nécessaire de mesurer la tension et la résistance interne de chaque cellule, un système de contrôle est également requis.

La technologie d'équilibrage consiste à ajuster la différence de tension entre les cellules afin de corriger les variations de tension, de capacité, de résistance et d'autres paramètres générés par la batterie pendant les processus de charge et de décharge, en réduisant ces variations pour maintenir la batterie en parfait état de fonctionnement et limiter les problèmes tels que la réduction de sa durée de vie due aux différences de performance des cellules.

Tension, capacité, résistance et autres paramètres

Grâce à sa structure simple et à son faible coût, la technologie d'équilibrage passif traditionnelle est actuellement la principale méthode d'équilibrage des batteries des véhicules électriques.

structure simple et faible coût

La technologie d'équilibrage actif charge ou décharge les cellules afin que la différence de tension de chaque cellule atteigne la valeur définie ou la maintienne dans une certaine plage, optimisant ainsi les performances des batteries lithium-ion. La technologie d'équilibrage actif la plus couramment utilisée est la technologie série-parallèle.

Pour optimiser les performances des batteries lithium-ion, veillez à ce que la différence de tension de chaque cellule atteigne la valeur définie ou reste dans une certaine plage.

Dans un circuit en série, chaque cellule fonctionne individuellement. Cependant, lorsque la batterie lithium-ion est complètement chargée, elle reste dans un état stable, appelé « période de repos ». Durant cette période, la tension de la batterie demeure constante.

Cependant, lorsque la batterie lithium-ion est complètement chargée, le bloc-batterie unique restera dans un état stable.

Lorsque la capacité d'un élément de la batterie atteint un certain seuil, la tension des autres éléments diminue, voire passe à un état de charge flottante. Pendant cette période de repos, la tension de la batterie reste constante.

Capacité de la batterie

La technologie d'équilibrage passif utilise la chaleur générée par les batteries lithium-ion lors des cycles de charge et de décharge pour assurer l'équilibrage. Cette technologie ne nécessite aucune énergie supplémentaire et fonctionne en surveillant les variations de température à l'intérieur de la batterie.

Chauffer pour obtenir l'équilibrage

Lorsque les batteries lithium-ion génèrent de la chaleur pendant leur fonctionnement, la technologie d'équilibrage actif permet de les refroidir de manière rapide et efficace.

La technologie d'équilibrage actif permet de le refroidir à temps et efficacement.

La technologie d'équilibrage passif permet de maintenir la batterie en état de fonctionnement stable en permanence. Lorsqu'une cellule de la batterie tombe en panne, les autres cellules continuent de fonctionner normalement ;

En cas de défaillance d'un élément de la batterie, les autres éléments restent fonctionnels. La technologie d'équilibrage actif exige que tous les éléments de la batterie soient connectés au circuit pour les opérations de charge et de décharge.

L'autre cellule isolée ne sera pas affectée.

Les avantages de la technologie d'équilibrage actif sont sa structure simple, son faible coût, son efficacité de charge et de décharge élevée et sa haute utilisation de l'énergie ; son inconvénient est que la durée de vie de la batterie est fortement affectée par la présence de plusieurs cellules.

Structure simple, faible coût, rendement de charge et de décharge élevé, utilisation énergétique élevée

La technologie d'équilibrage passif permet de connecter à tout moment toutes les cellules individuelles de la batterie au circuit pour les opérations de charge ou de décharge, de sorte que l'équilibrage peut également être réalisé lorsqu'il existe plusieurs cellules différentes dans la batterie.

La technologie d'équilibrage actif présente une structure complexe et un coût élevé ; la technologie d'équilibrage passif, quant à elle, est simple et peu coûteuse. La gestion des batteries est beaucoup plus complexe avec la technologie d'équilibrage actif qu'avec la technologie d'équilibrage passif.

structure technique simple et faible coût

La technologie d'équilibrage actif nécessite la collecte d'informations telles que la tension, le courant, la température, etc. de chaque cellule ; tandis que la technologie d'équilibrage passif n'a besoin de collecter que les informations d'une cellule de la batterie pour réaliser l'équilibrage.

Tension, courant, température, etc.

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L'association de l'équilibrage actif et passif dans les batteries de véhicules électriques permet de résoudre efficacement le problème d'hétérogénéité entre les cellules, prolongeant ainsi la durée de vie de la batterie. Cet article décrit l'utilisation de la technologie d'équilibrage actif pour équilibrer les cellules d'une batterie lithium-ion.

Il peut résoudre efficacement le problème d'incohérence entre les cellules

Le circuit de commande d'équilibrage actif se compose d'un contrôleur principal, d'un circuit d'équilibrage passif et d'un module d'acquisition de signaux. Le contrôleur principal, véritable cœur du système, gère le fonctionnement du circuit d'équilibrage passif, collecte et traite les informations relatives à la tension et à la capacité de la batterie, et prend les décisions et commandes nécessaires.

Contrôleur principal, circuit d'équilibrage passif, module d'acquisition de signal

Le circuit d'équilibrage passif se compose d'un commutateur d'équilibrage, d'un pilote IGBT bidirectionnel, etc. Sa fonction principale est de piloter et d'isoler les cellules du pack de batteries via un IGBT unidirectionnel afin de réaliser une transmission d'énergie bidirectionnelle, de sorte que la tension et la capacité des cellules du pack de batteries soient aussi proches que possible.

Commutateur d'équilibrage, pilote IGBT bidirectionnel, etc.

Les cellules individuelles d'une batterie ont un état de charge initial (SOC). Au cours de son utilisation, ces cellules vieillissent et s'endommagent, ce qui entraîne une variation de leur SOC. Selon cette variation, la batterie peut être classée en quatre catégories : normale, en bon état, vieillie et défectueuse.

Provoque des modifications de la valeur SOC

Étant donné que le niveau de charge (SOC) varie selon le type de batterie, une technologie d'équilibrage actif permet une gestion optimale de chaque cellule. Contrairement au circuit d'équilibrage passif qui fonctionne de manière unidirectionnelle, l'équilibrage actif permet de diviser la batterie en deux groupes ou plus.

Afin de mieux gérer chaque cellule individuelle de la batterie

Lorsqu'un groupe de cellules individuelles est en bon état (valeur SOC proche de 1), la batterie est isolée du bloc-batterie ; lorsqu'un groupe de cellules individuelles est en mauvais état (valeur SOC inférieure à 1), la batterie est isolée du bloc-batterie.

(La valeur SOC est proche de 1)

(La valeur SOC est inférieure à 1)

En se basant sur le principe de fonctionnement de base de la technologie d'équilibrage actif et sur l'utilisation actuelle des batteries de véhicules électriques, les méthodes suivantes peuvent être utilisées pour obtenir un contrôle équilibré des cellules individuelles dans le pack de batteries :

technologie d'équilibrage actif

(1) Méthode de transfert de courant. Cette méthode consiste à répartir la tension des cellules individuelles en fonction de la variation de tension du système de batterie de puissance et de l'écart entre les tensions des différentes cellules individuelles.

changement de tension

La méthode de transfert de courant permet d'isoler les batteries défectueuses, évitant ainsi une concentration excessive de l'état de charge (SOC) sur une cellule et préservant la tension des autres cellules. Cette méthode nécessite un circuit supplémentaire pour réaliser le transfert de courant.

La valeur SOC est inférieure à 1

Cette méthode contrôle la tension de la batterie en convertissant la tension de l'élément défectueux à un niveau de tension prédéfini. Elle nécessite un circuit de conversion supplémentaire, généralement utilisé dans les batteries en série.

circuit de conversion

(2) Méthode de contrôle de puissance. Cette méthode régule la tension du bloc-batterie défectueux en contrôlant la puissance des cellules saines qui le composent. Un circuit de contrôle permet de gérer la tension de tous les blocs-batteries du pack.

Un circuit de commande permet de réguler la tension de tous les blocs-batteries individuels du bloc-batterie.

(3) Méthode de commutation d'équilibrage. Cette méthode contrôle la tension de chaque batterie individuelle du bloc-batterie en fonction de l'écart de tension entre les batteries individuelles, afin qu'elle atteigne une valeur constante, garantissant ainsi que la tension de chaque batterie individuelle de chaque bloc-batterie est au même niveau même en cas de déséquilibre.

valeur constante

Cette méthode contrôle la tension des batteries monoblocs défectueuses et défectueuses en fonction des caractéristiques de fonctionnement des différents types de batteries lithium-ion.

D'un point de vue structurel, l'équilibrage passif consiste à connecter en série des cellules de batterie de puissance différente pour obtenir un équilibre de tension et de capacité ; tandis que l'équilibrage actif consiste à connecter en série des cellules de batterie de puissance différente pour obtenir un équilibre de capacité et de tension.

Connexion en série

La structure d'équilibrage actif est simple et peu coûteuse, mais elle nécessite une source d'énergie externe, ce qui augmente le coût et le volume, et en raison de la tension incohérente dans le pack de batteries, il est facile de provoquer un déséquilibre de celui-ci ;

Le coût est faible,

La structure d'équilibrage passif est simple et coûteuse, mais ses pertes d'énergie sont faibles, son volume est réduit, il n'y a pas de pertes mécaniques et son impact sur les performances de la batterie elle-même est faible.

La perte d'énergie est faible, le volume est faible, il n'y a pas de perte mécanique et l'impact sur les performances de la batterie elle-même est faible.

Du point de vue de la structure du circuit, le circuit d'équilibrage passif est simple et une même puce peut être utilisée pour contrôler uniformément le bloc-batterie, ce qui facilite la maintenance ; la structure du circuit d'équilibrage actif est complexe, car elle nécessite une source d'énergie externe pour le transfert d'énergie et le contrôle de l'équilibre de sortie, ce qui peut entraîner des anomalies telles qu'une tension excessive ou trop faible lors du transfert d'énergie.

La même puce peut être utilisée pour contrôler uniformément la batterie.

En tant qu'industrie stratégique sur laquelle mon pays concentre ses efforts de développement, les véhicules à énergies nouvelles constituent une force importante pour que mon pays atteigne les objectifs du « double centenaire » et réalise le rêve chinois du grand renouveau de la nation chinoise, mais ils engendrent également des problèmes qu'il est impossible d'ignorer.

La force importante des objectifs du « deux centenaire » et le rêve chinois du grand renouveau de la nation chinoise

Par exemple, l'utilisation de batteries pour véhicules à énergies nouvelles est sujette à des problèmes d'homogénéité, ce qui affecte sérieusement leur durée de vie. Afin de résoudre ce problème, deux axes de recherche principaux sont envisagés :

D'une part, il est nécessaire de développer un nouveau système d'équilibrage des batteries. En analysant le principe de fonctionnement, la structure du circuit, la stratégie de contrôle, etc., de ce système, il convient d'identifier et de corriger les facteurs qui affectent l'équilibrage des batteries. D'autre part, il est important d'étudier l'impact des variations d'homogénéité des batteries sur leur durée de vie et d'optimiser cette dernière.

En analysant le principe de fonctionnement, la structure du circuit, la stratégie de contrôle, etc. du système d'équilibrage des batteries, identifiez les facteurs qui affectent cet équilibrage et résolvez-les.

L'analyse et le traitement des données de fonctionnement des véhicules électriques permettent une gestion intelligente de la batterie. Celle-ci est chargée ou déchargée en fonction des différentes situations afin d'assurer un fonctionnement optimal. Parallèlement, l'analyse et le traitement des données de la batterie permettent, grâce à l'algorithme SOC et à la stratégie de charge et de décharge, d'effectuer un contrôle d'équilibrage en temps réel.

Assurez-vous que la batterie fonctionne dans un état optimal.

L'équilibrage actif et l'équilibrage passif sont deux méthodes efficaces pour résoudre le problème des batteries de puissance inégale. L'équilibrage actif offre de meilleures performances, mais son circuit est complexe et coûteux ; l'équilibrage passif, quant à lui, est simple, mais sensible aux facteurs externes et sa stabilité est faible.

La structure du circuit est complexe et son coût élevé ; la structure du circuit d’équilibrage passif est simple, mais elle est facilement affectée par d’autres facteurs et sa stabilité de fonctionnement est médiocre.

Comparé aux systèmes de gestion de batterie (BMS) à équilibrage passif, le BMS à équilibrage actif présente un avantage en termes de prix. Par conséquent, l'application de la technologie d'équilibrage actif aux véhicules électriques peut générer de meilleurs résultats économiques.