La conception d’un véhicule électrique est un concept complexe. Voici un aperçu du cœur de chaque VE : la batterie.
La pièce fondamentale de tout véhicule électrique (VE) est sa batterie. La batterie doit être conçue pour satisfaire les exigences du ou des moteurs et du système de charge que le véhicule utilise.
Cela comprend des contraintes physiques telles qu’un emballage efficace à l’intérieur de la carrosserie du véhicule pour maximiser la capacité. Étant le principal contributeur de poids dans un VE, les concepteurs doivent également prendre en compte l’emplacement de la batterie dans un véhicule car cela peut affecter l’efficacité énergétique et les caractéristiques de conduite du véhicule (ce qui explique généralement pourquoi vous verrez souvent des batteries placées sous le plancher du véhicule).
Voici un aperçu de certaines des spécifications, des considérations de sécurité et des systèmes de gestion impliqués dans la conception de la batterie de VE.
Spécifications de la batterie de VE : tensions et capacités
Une batterie de véhicule électrique est souvent composée de plusieurs centaines de petites cellules individuelles disposées en configuration série/parallèle pour atteindre la tension et la capacité souhaitées dans le pack final. Un pack courant est composé de blocs de 18 à 30 cellules en parallèle en série pour atteindre une tension souhaitée. Par exemple, un pack nominal de 400 V aura souvent environ 96 blocs en série (comme dans la Tesla Model 3).
Les tensions nominales courantes dans les véhicules actuels vont de 100 à 200 V pour les véhicules hybrides/électriques à branchement et de 400 à 800 V et plus pour les véhicules uniquement électriques. La raison en est que les tensions plus élevées permettent de transférer plus de puissance avec moins de perte sur le même diamètre (et la même masse) de câble en cuivre.
Un exemple de système de batterie de VE avec des cellules individuelles en série.
Les inconvénients des tensions plus élevées comprennent la nécessité de composants d’une cote de tension plus élevée dans l’ensemble du système. Ils empêchent également l’utilisation de stations de charge rapide en courant continu d’une tension inférieure sans incorporer un convertisseur élévateur de courant continu (DC-DC) dans le chargeur embarqué.
Les plages de capacité de batterie courantes, en revanche, sont les suivantes :
- Véhicules hybrides : 0,5 à 2 kWh
- Véhicules électriques à branchement : 4 à 20 kWh
- Véhicules électriques : 30 à 100 kWh ou plus.
Sécurité des batteries de VE : contacteurs (et fusibles pyrotechniques)
La batterie représente plusieurs défis en matière de sécurité en ce qui concerne la conception, ainsi qu’en ce qui concerne les hautes tensions présentes en permanence à l’intérieur d’elles.
Des fusibles sont présents à l’intérieur du pack de batterie avant le connecteur de sortie, souvent des deux côtés, positif et négatif. Des relais scellés de courant élevé spéciaux, connus sous le nom de contacteurs, relient les fusibles internes à la batterie elle-même.
Série de relais/contactor EV Panasonic (gauche) et décomposition de la structure du contacteur. Images utilisées avec l’aimable autorisation de Panasonic
Les contacteurs intègrent des caractéristiques telles que des contacts sacrificiels pour éviter l’augmentation de la résistance due à la formation d’arcs lors de leurs ouvertures. Ils intègrent souvent un contact auxiliaire pour détecter une soudure interne qui peut se produire si le contacteur est ouvert intentionnellement ou non alors qu’un fort courant le traverse.
L’alimentation en courant de la bobine du contacteur passe généralement par une boucle d’interverrouillage haute tension (HVIL, High Voltage Interlock Loop) qui parcourt tous les composants haute tension du système, ainsi que les câbles haute tension (généralement intégrés dans chaque connecteur). Ainsi, le contacteur ne peut pas recevoir de courant pour se fermer tant que toutes les connexions haute tension ne sont pas correctement branchées à la batterie.
Un contacteur de précharge se ferme avant les principaux contacteurs pour permettre à un faible courant de circuler dans le système à travers une grosse résistance. Cela limite le courant d’entrée dans tous les gros condensateurs du système et permet au système de gestion de batterie de détecter les courts-circuits avant que le chemin de fort courant ne soit complété.
L’isolation est continuellement surveillée, généralement des deux côtés des principaux contacteurs. Une panne se produira si l’isolation entre l’un ou l’autre côté du système haute tension et le châssis tombe en dessous de 500 ohms par volt.
Tesla a également incorporé un nouveau dispositif de sécurité dans ses packs Model 3 et plus récents, appelé fusible pyrotechnique. Ce dispositif peut être soufflé ouvert par une petite charge pyrotechnique si les contacteurs sont soudés, ce qui leur permet d’utiliser des contacteurs moins robustes. Une résistance de décharge et un contacteur sont parfois inclus en sortie de batterie pour permettre au système de se décharger activement jusqu’à une tension sûre après la mise hors tension.
Cartes de circuits imprimés de surveillance de la batterie de VE
Les blocs de cellules de la batterie doivent être surveillés et maintenus en équilibre, et des cartes de circuits imprimés spécialisées sont incluses dans le pack pour accomplir cette tâche. Ces cartes doivent inclure une interface de communication isolée, car la référence de masse de chaque carte sera des centaines de volts différente des autres et du système principal de gestion de la batterie.
Ces cartes surveillent la tension et la température de chaque bloc ainsi que la température des interconnexions entre les blocs. Elles contiennent également de petits groupes de résistances pour effectuer la tâche d’équilibrage.
Les blocs de cellules à l’intérieur du pack doivent être maintenus à quelques millivolts les uns des autres pour permettre le transfert maximal de puissance dans le pack. En raison des différences naturelles dans la fabrication des cellules, certains blocs se chargeront ou se déchargeront légèrement plus rapidement que d’autres. Pour pallier cela, pendant la charge, un équilibrage est effectué, ce qui draine une petite quantité de puissance des blocs de tension les plus élevés pour les rapprocher des autres.
Ces cartes de surveillance des blocs offrent également une fonctionnalité de sécurité supplémentaire du pack. Elles permettent de surveiller très précisément la température des cellules et des points d’interconnexion à l’intérieur du pack. En cas de cellules endommagées, cela signifie qu’une défaillance peut être signalée avant que des dommages graves ou même un incendie ne se produisent.
Systèmes de gestion de la batterie
Enfin, le système de gestion de la batterie, ou BMS comme on l’appelle couramment, gère la surveillance et le contrôle de tous les aspects du pack de batterie.
Les shunts de courant rapportent diverses informations au BMS, notamment la charge totale transférée dans et hors du pack. Les mesures de tension avant et après les contacteurs permettent de surveiller les tensions du système de pack. Les circuits de commande des contacteurs et d’économie gèrent la fermeture des contacteurs et minimisent le courant statique à travers les bobines une fois les contacts actionnés.
Le BMS est également en communication constante avec les cartes de gestion des blocs pour surveiller la tension et la température des cellules et contrôler l’équilibrage.
Schéma bloc de référence de conception pour un pack de batterie 400 V. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Texas Instruments
Les températures du système global et des connecteurs sont surveillées pour détecter toute connexion à haute résistance causée par des connecteurs ou des boulons desserrés.
L’isolation du système et du pack est également surveillée en permanence et d’autres fonctionnalités de sécurité potentiellement redondantes peuvent être intégrées. Le BMS expose également une interface de communication au reste du véhicule, souvent via l’Ethernet automobile ou le bus CAN, où il communique avec l’onduleur, le chargeur et d’autres systèmes. Il calcule et fournit des limites de courant de charge et de décharge, l’état de santé et de charge du pack, et notifie aux autres systèmes quand les contacteurs doivent être ouverts pour qu’ils puissent, idéalement, s’ouvrir sans avoir une charge présente.