Equilibreur - Des engins électriques à l`IUT GEII de Cuffies

INSTITUT UNIVERSITAIRE DE TECHNOLOGIE DE L’AISNE
DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE ET INFORMATIQUE INDUSTRIELLE
13, Avenue François Mitterrand, 02880 CUFFIES SOISSONS
: 03 23 76 40 10
: 03 23 76 40 15 [email protected]
Chargeur universelle
Equilibreur,
2000W, 30A
6 elements 3.7V à
20 elements li po fer 3.7V,
4.1V, 10 A
18 elements li po 4.1V
Karting double moteur, karting (67 CVmax).
Double variateur 90V, 300A,
26 elements li po fer 3.7V 90A.H
1
SOMMAIRE :
1 introduction
Page
3
3à6
2
1.
Introduction
Dans un système, nous avons besoin de différentes tension donc les éléments de l’accumulateur seront
déchargés différemment.
Mais lors de la charge de l’accumulateur en série, dés qu’un élément atteint sa tension de seuil, le courant
diminue pour que cette tension ne soit jamais dépassée. Ce courant série atteint 0A, alors que d’autre
éléments aura une décharge plus profonde n’ont pas atteint la tension de seuil.
Un déséquilibre du taux de charge sera provoqué ce qui est préjudiciable, car l’autonomie dépendra de
l’élément le moins chargé. De plus, Chaque élément réagit légèrement différemment (du à leurs résistance
interne) ce qui provoque en charge des tensions différentes par éléments.
Nous avons des accumulateurs de 10 A.H 12 éléments, 20 A.H 18 éléments et 90 A.H 22 élément en lipo
et li po fer. Nous avons des chargeurs paramétrable j’jusqu’a 30 A de charge en série.
Pour rééquilibrer chaque élément, il faut un chargeur par élément ce qui couterait relativement cher, car
les éléments étant reliés entre eux, il faut des masses différentes et une régulation autonome. Mais il est
possible d’utiliser des chargeurs de 1/10 de la capacité énergétique car l’on n’est pas pressé par le temps
lors d’un rééquilibrage. En effet, il n’y a que 1 à 5 A.H de différence en générale.
Nous allons voir dans un premier temps comment réagit les batteries lipofer, avec un équilibrage de 0.5A.
Puis nous allons voir les 2 solutions pour rééquilibrer les batteries. Enfin, nous verrons la réalisation et la
modification et test de notre équilibreur
2.
Etude de la charge et décharge de batteries li po fer 90 A.H
Depuis 2009, nous utilisons des batteries li-po et li-ion sur nos vélos électrique avec chargeur utilisant les
BMS. Nous avons appris plusieurs choses :
-
-
Il ne faut pas décharger à 100% les batteries avec de petit courant de décharge sinon la batterie se met en
court circuit.
La tension peut être utilisée pour déterminer la capacité énergétique de la batterie. Il y a très peu de
perte dans la batterie donc l’énergie de la charge est identique à l’énergie de la décharge.
Certains éléments ne sont pas entièrement détruits, et ont la moitié de la capacité énergétique prévue.
Dans ce cas la résistance interne de l’élément a fortement augmenté est atteint très vite la tension de
seuil de l’élément.
La résistance interne en décharge est bien plus grande que celle de la décharge. La chute de tension de
l’élément due à la résistance interne n’est pas négligeable.
Sur les li-ion (qui ont une tension de seuil de 4.1V), on peut les charger à 4,2V sans dommage à 1C. Mais
l’énergie entre 4.1V et 4.2V est une perte. Par contre touts les éléments sont rechargés à 100%. De même
pour les li po fer qui ont une tension de seuil de 3.6V, on peut les charger j’jusqu’a 4.1V
Nous avons choisis 18 éléments des batteries de 90A.H Thundersky que nous avons séparé en 2 groupes
de 9 éléments. Notre chargeur paramétrable 25A l’accumulateur, puis dés qu’un élément atteint (3,6V
seuil) la charge est à tension constante. On peut voir sur la figure suivante que la régulation de courant est
bien autour de 25A.
3
1.
Charge de 9 éléments à 25A
Current 25A
Voltage
accu
Voltage 9 cells
Capacity energy en A.H
2.
Tension des 9 éléments après la charge
Voltage accu
Voltage 9 cells
3.
Des que la tension de seuil d’un
élément est atteint le courant
diminue pour que cette tension
ne soit jamais dépassée.
Etant donné qu’il y a toujours
des dissymétries de charge et de
capacité énergétique alors la
tension de chaque élément
diminue de façon différente.
Il n’y a que 8A.H de charge à
tension constante. Donc si on
arrête de charger des que l’on
atteint 3.6V les batteries seront
rechargées à 90 %
Lors de l’arrêt de la charge, la
tension de chaque élément ne
reste pas constante à leurs
valeurs. Elle diminue pour
atteindre 3,35V.
Par conséquent, on ne peut pas
se fier à la tension pour savoir si
l’élément est bien chargé.
Charge lorsque l’accu est déjà à 100%
Après avoir chargé à 100%
l’accu puis une attente d’une
heure, on recharge la batterie à
25A.
Dans ce cas, la tension des
éléments atteint très rapidement
la tension de seuil est le courant
de charge décroit rapidement.
Si on charge avec équilibreur de
0.5A, chaque élément de l’accu
à 100 %, la régulation de courant
oscille, car la tension de
l’élément qui a atteint 3.6V a
4
4.
Équilibrage lorsqu’un élément est déjà à 100%
Diminution de la tension de l’élément
tendance à diminuer à 3,4V.
Donc, le courant oscille de 1 à
4A en fonction de la diminution
de la tension de la figure 9.
On peut voir que la tension des
éléments des autres éléments
augmente très légèrement en
fonction
de
la
capacité
énergétique.
Oscillation de courant
Par conséquent il faut charger chaque élément de façon séparée et il faut arrêter la charge de l’élément qui
a atteint sa tension de seuil. Nous allons utiliser 9 alimentations à découpage flyback isolé de PC 220VAC
=> 5VDC/10A dont le prix est de 10 Euros à l’unité.
Mais quelle est la tension de seuil des batteries Thundersky ?
Car normalement les lipo fer ont une tension de Seuil de 3,6V et les différentes documentations
Thundersky indiquent toutes 4,2V.
5
A partir des courbes précédentes,
l’élément Thundersky à 3.6V serait
chargé seulement à 60 %.
Ce serait dommage.
Mais si on modifie la tension de
seuil du chargeur à 3.95V, cette
tension est atteinte en 1 A.H.
Cell 4
Donc on ne gagne rien en capacité
énergétique
On peut observer sur la figure précédente que la cellule 4, a une tension très inferieures à toutes les autres
car il y a une différence de 28 A.H. En effet après un équilibrage, il y avait cette différence d’énergie.
Pour vérifier la capacité énergétique, on va décharger les batteries jusqu’à 2.5V pour savoir quelle est la
capacité énergétique des batteries après les avoir chargés à 3.6V
Decharge à 20A
La décharge est de 920 W.H avec une
ARRET de decharge
tension de 12,5V en moyenne. Donc la
capacité énergétique est de 75A.H.
Donc proche de 90 A.H, sachant que l’on
ne s’est pas arrêter à 2.5V par élément
comme dans les courbes de Thundersky.
La chute de tension entre la décharge de
20A et 75 A est de 13.1-12.7=0.4V
Décharge à 75A
Donc la résistance interne est de 2
mΩ/élément. Ce qui n’est négligeable
On peut remarquer que dés que l’on arrête la décharge la tension remonte à 3.1V par cellule.
Nous avons rechargé les batteries et on a pu constater que la capacité énergétique de charge et de
décharge sont très proches.
1ére solution :
Charge d’une batterie constituée de plusieurs éléments simultanément donc générateur fournissant
une tension égale à la somme des tensions des éléments à charger, lorsqu’un éléments arrive à la tension
de seuil, on arrête de le charger tout en continuant de charger les autre éléments n’ayant pas encore atteint
leur tension de seuil. Pour cela on utilise un dispositif qui permet de commuter le circuit de l’élément
complètement, un microcontrôleur mesure en permanence la tension aux bornes de chaque ainsi lors
d’une détection de tension de seuil, ce circuit est commuté par un interrupteur géré par le µC dans une
résistance, ce qui permet ainsi de continuer la charge des autres éléments.
2éme solution :
Utilisation d’alimentation de PC flyback isolé
o 5V - 20% -> 4V.
o 3.3V +20% -> 4V.
Ces alimentations de 5A à 10A ne coutent queue 10euros donc multiplié par 1 élément, cela revient aux
prix honnête. Notre objectif est queue cet équilibreur puisse être utiliser sur la technologie Lipo-fer (tension de seuil : 3.7V) et Lipo (4.2V).
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3.
Equilibreur
Dans un premier temps, nous allons utiliser 4 alimentations à découpage flyback isolé de PC 220VAC
=> 5VDC/10A qui a une limitation de courant. On a modifié le retour de la régulation de tension pour
régler la sortie à 3.8V.
Il faut vérifier que l’alimentation est bien régulée en courant et qu’elle peut fonctionner continuellement
avec le courant maximum. Il faut changer le potentiomètre de réglage de la variation de tension pour obtenir ainsi notre variation voulue de 20%.
Alimentation régulée 10A
Alimentation régulée 5A
1kΩ 4.5V à 5.5V
1kΩ 3.86V à 6V
4.7kΩ 3.86V à 6.3V
2kΩ 3.67V à 6.5V
3.1 Devis
Alimentation PC 220V/
(5V+5%/10A)
Alimentation PC 220V/
(5V+20%/5A)
électronique diffusion
25 €
e-bay
10 €
connecteur 5 à 12 fils
12 Ampères
Fournisseur Farnell
Par raison de protection, nous utiliserons la première solution qui utilise des alimentations de PC pas
cher. Nous allons passer aux tests:
3.2 Test
Le courant équilibrage correspond à l'équation suivante:
𝑈𝑎𝑙𝑖𝑚3 − 𝑈𝑏𝑎𝑡𝑡3
𝐼𝑏𝑎𝑡𝑡3 =
𝑅𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑡 + 𝑅𝑓𝑖𝑙 + 𝑅𝑓𝑢𝑠𝑒
La tension de chaque alimentation correspond à la tension de seuil des batteries, ce qui permet de ne
jamais dépasser la tension de seuil fatidique des éléments mais le courant de charge est faible surtout
si la résistance interne de la batterie est élevée.
Nous allons faire différents test sous Isis pour illustrer ce principe :
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1er cas : batteries tous déchargées (3.3V)
Nous pouvons voir que les batteries sont rechargées avec des courants de charge important. Dans
ce cas le temps de charge serait rapide.
Il n'est pas possible avec une pince ampéremétrique de mesurer le courant de chaque élément à cause
des barres de liaison. Par contre, il est facile de mesurer le courant dans les fils (IF). Mais le courant
ne correspond au courant dans les batteries. Pour connaitre le courant dans les batteries, il faut faire
les calculs suivants :
IBatt3 = IF3
IBatt2 = IF2 + IBatt3 = IF2 + IF3
IBatt1 = IBatt2 + IF1 = IF2 + IF3 + IF1
IBatt0 = IBatt1 + IF0 = IF2 + IF3 + IF1 + IF0
2éme cas: un élément totalement chargé (3.8 V), un déchargé (3.3 V), et 2 autres faiblement
déchargés (3.55 V)
Dans ce cas, nous voyons que le courant de charge de la batterie chargée à fortement diminuer
pour atteindre 0.25 A, sans pour autant que sa tension de seuil de 3.8 V dépasse. Malgré cette réduction du
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courant dut à la batterie B0 chargé, les batteries B1 et B3 se chargent avec un courant de 2.8 A > 0.25 A.
et surtout la batterie B2 qui est fortement déchargée reste avec un courant de charge important (aux alentours 5A).
Un chargeur traditionnelle vendu dans le commerce qui est composé d’une seule alimentation globale contrairement a nous qui dispose d’une alimentation par éléments aurait imposé dans ce cas un courant de charge pour tous les éléments de 0.25 A dut a la batterie B0, les autres batteries mettraient mis
donc un temps de charge important à cause du faible courant de charge. Ce courant est limité pour éviter
de dépasser la tension de seuil de la batterie B0.
3éme cas: un élément totalement chargé, les 3 autres faiblement déchargés (3,5V)
Nous pouvons voir que B2 reste chargée avec un courant faible pour éviter qu’elle dépasse sa tension de seuil mais qu’il n’influence pas les autres batteries qui sont faiblement déchargée. Vue que leurs
courants de charge est au alentour de 2 A.
Pour conclure, il est possible de mettre Ualim à 5V pour avoir plus de courant, ce qui provoquera un
équilibrage plus rapide mais il faudra arrêter la charge des que l'on atteint la tension de seuil de l'élément.
Nous prendrons donc Ualim à 3.8V pour éviter de dépasser la tension de seuil des éléments de batterie mais
en faisant ce choix, nous rallongeons le temps de charge. En faisant ce choix, nous avons aucun risque de
détériorer les batteries.
Cependant il faut faire attention, la tension des batteries Li-Po-Fer redescendra à 3.3V en quelques
minutes après avoir été déconnecté de la charge donc il faudra interdire la charge après un équilibrage.
Étant donné que c'est dangereux pour les éléments qui seront détruit, on préfère mettre la tension Ualim à
3.8V.
4.
Essais et test avec 𝑈𝑎𝑙𝑖𝑚 = 3.8V sur LiPo-Fer 90A.
Dans l'essai suivant, on peut voir un équilibrage. La tension de la batterie ne dépasse pas la tension de
seuil. On remarquera que l'élément #1 a une résistance interne élevée donc delta U est important.
Si on augmente la tension d'alimentation 1, le courant de charge augmente et la tension de la batterie 1
augmente.
Mais, on peut voir aussi que cela agit sur la tension batterie 2 ceux-ci est du à la résistance des fils If
1.5 mm² et au fusible qui ne sont pas négligeable 16 mΩ
9
Avec 𝑈alim = 3.8V
𝐼𝐵4 = 0.3
𝐼𝐵3 = 0.15
𝐼𝐵2 = 0.3
𝐼𝐵1 = 1
Avec 𝑈𝑎𝑙𝑖𝑚 𝐵1 = 5𝑉
𝐼𝐵4 = 0.3
𝐼𝐵3 = 0.15
𝐼𝐵2 = 0.3
𝐼𝐵1 = 4
Malgré le courant faible de 1A sur 𝐼B1 cet élément va être rééquilibré.
Dans l'essai suivant, les éléments sont fortement déséquilibrés, avec des tensions batteries de 3.3V, les
courants sont égales au tableau suivant:
UB1
ARRET de charge
charge 0.5 A
3A
charge 1 A
1A
3A
arret
On peut voir que lorsqu’on
augmente la tension d’alimentation
de l’élément en rouge, alors le
courant augmente mais, il y a une
augmentation des tensions sur les
autres éléments qui est du aux
résistances interne des fils et des
fusibles.
On peut observer qu’avec un petit
courant l’élément atteint la tension
de 3.7V.
Equation av
Apres 2 jours, on recharge avec notre équilibreur
On peut observer que la tension des
éléments augmente très rapidement à
3.7V. donc que nos éléments sont bien
équilibrés
charge
arret
17 - Conclusion
Nous avons du réaliser un câblage d’un équilibreur de batterie Li-Po 90A.H avec
des alimentations de PC 5V/10A et le tester. Le temps de rééquilibrage est un peu
long. Mais il est possible de le faire tourner toute la nuit, pour pourvoir recharger et à
la fois rééquilibrer ces batteries sans avoir besoin de surveiller les différents seuils de
tension de batteries.
Nous avons dût tirer des fils de chaque éléments et ajouter un fusible pour des
raisons de sécurité. Il a fallut trouver un connecteur qui puisse supporter 10 A. Puis
réaliser le circuit imprimé par connectique JST avec des fils qui permet de lire les
tensions de seuil des batteries et le câblage de puissance de l’équilibreur.
Ce projet, nous a permis d'avoir une approche plus pratique et concrète de
l'électrotechnique et électronique.
Nous tenons à remercier Mr Sivert pour l'aide qu'il nous a apporté.
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