Couverture ElectroniqueS n°127

POUR DOTER LES BLOCS-BATTERIE HAUTE TENSION DES VÉHICULES ÉLECTRIQUES DE SOLUTIONS SÛRES, FIABLES ET ABORDABLES, IL EST NÉCESSAIRE DE S'APPUYER SUR DES PROTOCOLES DE COMMUNICATION DE QUALITÉ, CAPABLES DE FONCTIONNER DANS DES ENVIRONNEMENTS BRUYANTS ET DE GARANTIR L'ADAPTABILITÉ DU SYSTÈME AUX VARIATIONS DE PLACEMENT DES MODULES D'ÉLEMENTS DE BATTERIE À L'INTÉRIEUR DES BLOCS. Taylor Vogt (Texas Instruments) Taylor Vogt est ingénieur d'applications chez Texas Instruments, chargé des systèmes de gestion de batteries, principalement pour les automobiles électriques et hybrides. Il est diplômé en ingénierie électronique de l'Université du Texas (Austin). Face à la forte demande en véhicules électriques, les constructeurs cherchent à améliorer leurs performances de manière sûre et économique. L'un des principaux leviers consiste à améliorer les systèmes de gestion des batteries (BMS), qui surveillent en temps réel les performances de chaque élément de batterie du véhicule. Ce faisant, un microcontrôleur peut assurer le bon fonctionnement de l'ensemble de ces éléments et équilibrer le partage des charges. Ce livre blanc examine les différences entre les solutions de BMS filaires et sans fil, afin d'aider à choisir la meilleure option lors de la conception d'un véhicule électrique. SYSTÈMES DE GESTION DE BATTERIES DISTRIBUÉS Dans les applications automobiles électrifiées, les blocs-batterie peuvent afficher une capacité de 800 V, voire davantage, pour répondre aux besoins du moteur. Cela peut impliquer d'empiler plus d'une centaine de piles lithium-ion, en série, dans le châssis du véhicule. De plus en plus, ces blocs haute tension nécessitent des technologies sophistiquées pour transmettre les données de diagnostic en temps utiles, de manière fiable et sécurisée. L'une des techniques courantes consiste à intégrer un système de gestion distribué, capable de gérer des blocs-batterie comportant un grand nombre d'éléments en reliant plusieurs contrôleurs de batterie haute précision sur des circuits imprimés distincts. Dans une solution de BMS filaire, la propagation des données acquises pour chaque module est assurée en connectant ces contrôleurs selon une topologie en chaîne, à l'aide de câbles à paires torsadées. Une solution non filaire utilisera quant à elle une interface de communication sans fil. La figure 1 présente un système de gestion de blocs-batterie distribué classique pour des véhicules électriques de 400 à 800 V. Sur la figure 1, on voit un sous-système contenant le microcontrôleur hôte, relié à l'unité de commande du véhicule par une interface de bus CAN (Controller Area Network). Le cœur du microcontrôleur pilote les contrôleurs reliés aux modules de batterie afin de détecter le niveau de tenBOmS et la température. Suivant le nombre de canaux pris en charge par les contrôleurs de batterie, il est possible d'empiler un nombre variable de dispositifs afin de gérer les blocs haute tension, qui ont tous besoin de renvoyer rapidement des informations au microcontrôleur hôte. Autres aspects du système de surveillance et de communication : les contrôles de relais haute tension, qui s'assurent que le système haute tension est bien désactivé lorsque le véhicule n'est pas utilisé, et les capteurs de courant, qui mesurent le niveau de charge et l'état général du bloc-batterie. Figure 2.-Exemple de BMS filaire Cette solution filaire comporte une unité de gestion ou de surveillance de la batterie (BMU), à gauche, qui accueille la passerelle de communication entre le microcontrôleur hôte et le BQ79600 - Q1, et des unités de contrôl MBU éléments de batterie (CMU). SOLUTIONS DE BMS FILAIRES ET SANS FIL Intéressons-nous à l'interface de communication entre les différents contrôleurs Bliés dans le bloc-batterie et le microcontrôleur hôte. Les deux exemples présentés utiliseront des contrôleurs de la gamme BQ796xx. La solution filaire classique relie les contrôleurs de batterie dans une topologie en chaîne, au moyen de câbles à paires torsadées entre les modules. La méthode de communication sans fil transmet les données grâce au microcontrôleur CC2642R-Q1. Figure 3.-Exemple de BMS sans fil Une architecturesans fil réduit le câblage et assure une isolation intrinsèque entre les différents éléments. La solution filaire figure 2 comporte une unité de gestion ou de surveillance de la batterie (BMU), à gauche, qui comprend la passerelle de communication entre le micro contrôleur hôte et le BQ79600-Q1. Cette BMU agit comme une interface entre le microcontrôleur et les contrôleurs BQ796xx sur l'unité de contrôle des éléments de batterie (CMU), laquelle est reliée aux éléments de batterie eux-mêmes. Ces unités CMU sont reliées entre elles par un câble à paire torsadée, selon une topologie en chaîne, aussi bien du côté haute tension que du côté basse tension de chaque contrôleur de batterie, et un câble de contournement facultatif peut permettre d'assurer la transmission dans les deux sens en cas de rupture de la paire torsadée. Cette solution filaire nécessite des composants d'isolation de chaque côté du câblage en chaîne, afin de garantir une communication robuste dans des environnements bruyants, capable de respecter les limites strictes d'interférences électromagnétiques et de compatibilité électromagnétique (CEM) propres à l'automobile. La solution sans fil s'appuie sur une interface sans fil : les données de l'émetteur-récepteur universel asynchrone sont transmises depuis le contrôleur de batterie vers le microcontrôleur hôte via un dispositif émetteur-récepteur à ondes électromagnétiques. La figure 3 donne une représentation de microcontrôleur plus simplifiée que la figure 1, mais y ajoute un nœud de récepteur sans fil pour signifier que ce microcontrôleur est doté d'un dispositif supplémentaire capable de retransmettre les données des éléments de batterie, via des ondes électromagnétiques, vers l'hôte. Les deux microcontrôleurs illustrés par la figure 2 sont ainsi naturellement isolés l'un de l'autre. L'écart significatif entre les deux solutions tient au remplacement du câblage à paire torsadée de la version filaire par un dispositif CC2642R-Q1 sur chaque BMU dans la version non filaire. On pourrait penser qu'ajouter un composant génère davantage de complexité et augmente le coût, mais il faut tenir compte du coût et du poids du câblage, ainsi que de la nécessité de placer des isolants hautes performances de chaque côté de l'interface à paire torsadée pour garantir la robustesse de la communication. Le tableau ci-dessus met en avant d'autres éléments à prendre en compte dans le choix entre une solution de gestion de batteries filaire ou sans fil. PROTOCOLE BMS FILAIRE ET SANS FIL Si l'on se penche sur les protocoles utilisés par TI dans les deux solutions, l'option filaire s'appuie sur une interface différentielle bidirectionnelle semi-duplex. Elle est donc dotée d'un émetteur (TX) et d'un récepteur (RX) sur les interfaces de communication côté haute tension et côté basse tension, afin de propager les informations du côté basse tension vers le côté haute tension par défaut. Ces fonctions TX et RX sont contrôlées automatiquement par le matériel, en fonction de leur position dans la pile, et les données sont resynchronisées au moment d'être propagées vers chaque module. La topologie RX des composants BQ796xx est similaire au standard RS-485, avec des mécanismes supplémentaires destinés à atténuer les hautes tensions de mode commun provoquées par le bruit inhérent aux environnements automobiles. Chaque octet est transmis à 2 MHz (250 ns par impulsion, ou 500 ns par couplet). La durée entre les octets dépend du débit de l'émetteur-récepteur universel asynchrone en baud (1 Mb/s en fonctionnement normal), mais la durée de chaque octet est toujours la même. L'interface filaire est conçue pour assurer une isolation capacitive ou inductive, de manière à respecter les spécifications strictes relatives à la CEM et aux interférences électromagnétiques pour le secteur automobile. La figure 5 en présente un exemple, avec des condensateurs et des bobines. Entre chaque circuit imprimé de contrôleur de batterie, le circuit devra être conçu avec 64 composants empilés pour prendre en charge différentes tailles de modules de batterie. Afin de satisfaire aux exigences de niveau 1 et des fabricants d'équipements d'origine qui développent la prochaine génération de véhicules électriques, TI a mis au point un protocole de BMS sans fil propriétaire basé sur la technologie Bluetooth Low Energy, et fonctionnant dans la bande de fréquence des 2,4 GHz. Ce protocole est caractérisé par une configuration de réseau en étoile qui permet de prendre en charge jusqu'à 32 nœuds par unité centrale, mais aussi par sa capacité à assurer un débit élevé, une transmission des données à faible latence et le respect des normes de sécurité fonctionnelle. La principale différence entre les deux protocoles tient au câblage à paire torsadée et à sa topologie en chaîne, qui propage le signal depuis le microcontrôleur jusqu'au contrôleur de batterie le plus éloigné, et retour. Dans une configuration sans fil, avec un réseau en étoile, chaque module peut communiquer indépendamment avec le processeur hôte. Mais les deux solutions offrent des caractéristiques permettant aux systèmes automobiles de fournir de grandes quantités de données pertinentes sur le bloc-batterie, rapidement, de manière fiable et sûre. •

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