Concevoir un pack batterie modulaire ? N’oubliez pas ces conseils

Les packs de batteries avec une densité de puissance et des fonctionnalités plus élevées ont plusieurs modules qui fonctionnent ensemble pour former la fonctionnalité complète du système de batterie. Les modules comprennent la jauge de carburant, les dispositifs de protection, les interfaces utilisateur, les remplacements à chaud, etc. La plupart de ces modules restent communs à tous les projets, ce qui ouvre la possibilité de les réutiliser dans d’autres applications. Une approche modulaire qui divise la conception en plusieurs modules réduit le temps de développement et facilite les tests. Les concepteurs peuvent également héberger des modules dans des cartes de circuits imprimés (PCB) individuelles qui peuvent être sélectivement échangées avec un module différent pour un nouveau projet. Il sépare les fonctionnalités du pack batterie en cartes individuelles qui peuvent être testées et vérifiées avant de les combiner pour former le pack complet. Cela réduit le temps de développement car le travail peut être réparti entre les différents membres de l’équipe. L’article décrit l’approche modulaire dans la conception des packs de batteries ainsi que les avantages et les défis impliqués. Un exemple est considéré pour mettre en évidence le processus.

Les principaux modules d’une batterie sont inclus ci-dessous.

• Cellules : Les cellules individuelles sont disposées en série et/ou en parallèle pour atteindre les niveaux de puissance requis pour l’application.
• Réchauffeur : Ceci est facultatif et est utilisé pour chauffer les cellules pour que le pack soit opérationnel dans des conditions froides.
• Thermistance : Ce sont des capteurs de température placés à plusieurs endroits dans le bloc-batterie pour mesurer la température des cellules. Ils sont utilisés pour protéger le pack de la sur et sous température.
• Frontal analogique (AFE) : ce circuit intégré (IC) numérise les paramètres de la cellule tels que la tension, le courant et la température. La jauge de carburant a besoin de ces valeurs pour calculer les paramètres de performance du pack tels que l’état de charge (SOC) et la capacité restante. Il est également utilisé pour identifier les conditions d’utilisation anormales et protéger la batterie.
• Jauge de carburant : ce circuit intégré utilise les valeurs calculées par AFE pour calculer les paramètres de performance du pack tels que le SOC et la capacité restante. Il active et désactive également les dispositifs de protection tels que les transistors et les fusibles.
• Dispositifs de protection : Il s’agit des interrupteurs et des fusibles utilisés pour protéger la batterie contre des conditions telles que la surtension des cellules, la sous-tension des cellules, la surchauffe des cellules, la sous-température des cellules, les surintensités et les courants de court-circuit.
• Microcontrôleur : Ceci est facultatif et est principalement utilisé pour fournir des interfaces utilisateur telles que des boutons et des affichages.

Les modules ci-dessus, ainsi que les composants électriques d’interfaçage, sont emballés ensemble pour former une batterie fonctionnelle. Le concepteur peut loger tous ces composants dans un seul circuit imprimé OU diviser les composants en groupes pouvant être logés dans des circuits imprimés modulaires individuels. Ces circuits imprimés modulaires sont ensuite connectés pour former le pack complet.

Circuit imprimé modulaire

Un circuit imprimé modulaire se compose d’un ou plusieurs composants électriques connectés pour réaliser une ou plusieurs fonctionnalités. Par exemple, les entrées nécessaires à la fonctionnalité peuvent provenir d’un autre module, pour lequel une interface est prévue sous la forme d’un connecteur ou d’un point de connexion. Il en va de même pour la sortie de ce module. Une fois assemblés pour former le pack, ces circuits imprimés ne sont plus individuels mais fonctionnent ensemble pour développer le pack batterie complet. Certaines des fonctionnalités qui peuvent être modulaires dans un bloc-batterie sont incluses ci-dessous :

• Interconnexion des cellules et chauffage : les blocs-batteries haute puissance sont constitués de plusieurs cellules connectées en série-parallèle. L’interconnexion, ainsi que les éléments chauffants, peuvent être logés dans une carte de circuit imprimé. Les tensions des cellules individuelles et les lignes électriques et le signal d’activation du réchauffeur peuvent être fournis via un connecteur qui peut s’accoupler à la carte d’interfaçage.
• AFE, jauge de carburant et protections : L’AFE et la jauge de carburant se connectent à la carte d’interconnexion des cellules et surveillent et protègent le pack. Les dispositifs de protection tels que les interrupteurs et les fusibles sont logés dans cette carte.
• Interface externe : Cela comprend les connecteurs nécessaires pour charger et décharger le bloc-batterie et les interfaces avec l’AFE et la carte de jauge de carburant. Les connecteurs externes dépendent de l’application et peuvent être facilement remplacés par une carte d’interface différente pour un autre client dont les besoins en alimentation sont similaires.
• Interface utilisateur : L’interface utilisateur peut être différente pour chaque application et ajoutée à la batterie en conséquence. Supposons que des composants supplémentaires tels qu’un microcontrôleur soient nécessaires pour piloter l’interface utilisateur. Dans ce cas, il peut être ajouté comme une autre carte modulaire, ou l’un des modules peut être modifié pour ajouter le composant.

Inventus Puissance

Pack batterie avec cartes modulaires interconnectées.

Avantages de la conception modulaire

Vous trouverez ci-dessous quelques-uns des avantages de la conception modulaire des blocs-batteries.

• Temps de développement réduit : Chaque module peut être conçu individuellement et testé en parallèle par des concepteurs distincts. Cela réduit le temps nécessaire pour terminer la conception. De plus, chaque module peut être testé individuellement une fois qu’il est prêt et n’a pas besoin d’attendre les autres modules.
• Réutilisabilité des modules : une fois les modules individuels développés, ils peuvent être utilisés dans plusieurs projets. Par exemple, un module AFE et jauge de carburant conçu pour un agencement de cellules 4S9P peut être réutilisé sur un autre bloc-batterie avec un agencement de cellules 4S5P ou 4S3P.
• Remplacement sélectif du module défectueux : les blocs-batteries endommagés peuvent être remis en état de fonctionnement en identifiant le module défectueux et en le remplaçant par un nouveau. Par exemple, sur un pack batterie dont le fusible de protection a sauté à cause d’une cellule défectueuse, le pack peut être réparé en remplaçant la carte d’interconnexion des cellules et la carte AFE par une neuve, la carte d’interface externe et la carte d’interface utilisateur restant la seule même.
• Coût réduit par bloc-batterie : dans certains blocs-batteries, certaines régions peuvent devoir être flexibles en fonction des besoins du client. Le coût et le temps requis pour fabriquer une carte de circuit imprimé flexible sont plus élevés par rapport à une carte de circuit imprimé rigide. Avec une approche modulaire, la région qui doit être flexible peut être réalisée sous forme de planche flexible et le reste peut rester sous forme de planche rigide. Cela réduit le coût global de la batterie.

Défis avec la conception modulaire

La conception d’un bloc-batterie avec une approche modulaire présente certains défis.

• Connecteurs supplémentaires et espace requis : chaque module doit contenir des connecteurs pour s’interfacer avec d’autres modules. Cela augmente le coût de la nomenclature (BOM) et consomme de l’espace sur la carte de circuit, en raison de laquelle la taille du PCB doit être plus élevée.
• Architecture bien définie requise : Une architecture bien définie ainsi que des modules et des interconnexions doivent être spécifiés avant la phase de conception proprement dite. Les connecteurs et les broches de chaque module doivent être définis et soigneusement exécutés sur tous les modules. Toute variation des broches entre les modules de connexion peut entraîner la non-compatibilité des modules et la nécessité d’une nouvelle conception.
• Processus d’assemblage minutieux : Le processus d’assemblage doit être défini et exécuté avec soin pour éviter que les modules ne soient connectés dans le mauvais sens. Les erreurs courantes sont le décalage des broches lors de la connexion des modules, la connexion inversée, la non-connexion de toutes les broches à la fois, etc. Certaines de ces erreurs peuvent être évitées en sélectionnant des connecteurs polarisés pour empêcher l’opérateur de se connecter de la mauvaise manière.
• Connexions desserrées : des connexions desserrées entre les modules peuvent se produire lorsque le pack est soumis à des vibrations et à des contraintes dans des cas d’utilisation normaux. Il en résulte un pack entièrement défaillant ou un pack avec des défauts intermittents. Ce scénario peut être évité en utilisant des connecteurs qui se verrouillent les uns avec les autres.