Une nouvelle plateforme technologique améliore les performances et la durée de vie des batteries des véhicules électriques.
Les batteries au lithium offrent la densité de puissance la plus élevée par rapport aux autres types de batteries. Elles peuvent stocker plus d’énergie dans un format plus petit et plus léger que tout autre type de batterie. Par conséquent, les batteries au lithium sont le type de batterie de choix pour tous les types de véhicules électriques. Malheureusement, les batteries au lithium présentent plusieurs inconvénients. Elles peuvent subir un emballement thermique si elles sont endommagées, soumises à des charges très élevées, surchargées ou exposées à des températures élevées. L’emballement thermique peut générer suffisamment de chaleur pour enflammer l’électrolyte et provoquer un incendie ou une explosion d’un bloc-batterie. De telles conditions peuvent gravement endommager le bloc-batterie et le véhicule électrique et potentiellement mettre les passagers en danger.
Une nouvelle technologie qui atténue le risque d'emballement thermique des batteries est désormais disponible. La dernière technologie développée par Littelfuse, la Dispositif de surveillance de température distribuée TTape™Permet la détection précoce de la surchauffe localisée des cellules de batterie. Cette plateforme innovante contribue à prolonger la durée de vie de la batterie et à améliorer la sécurité des installations de batteries. TTape est une bande de ruban adhésif comportant de nombreux indicateurs de température rapprochés. Contrairement à une thermistance discrète, TTape adhère aux cellules de batterie et épouse la forme des cellules, permettant une surveillance à haute densité des emplacements sur un bloc-batterie. Les capteurs indicateurs de température détectent rapidement un point chaud de cellule, empêchant ainsi l'emballement thermique de la batterie. Avec des thermistances individuelles dont la taille limite le nombre d'emplacements de détection et empêche un espacement rapproché, un point chaud de cellule de batterie qui n'est pas proche de l'emplacement d'une thermistance peut atteindre un niveau dangereux. TTape résout le problème de l'impossibilité de détecter rapidement les points chauds des cellules de batterie.
Cet article présente au lecteur les avantages du dispositif de surveillance de température distribuée TTape et détaille le produit. De plus, un exemple de circuit illustre l'utilisation dans un schéma de protection. Les ingénieurs concepteurs trouveront dans TTape un composant excellent et simplifié pour garantir une durée de vie maximale et un fonctionnement sûr des batteries lithium-ion.
Description de TTape
TTape est une bande mince et flexible d'indicateurs de température imprimés, rapprochés les uns des autres pour une surveillance maximale de la température résolue spatialement. Son épaisseur est inférieure à 500 µm, ce qui lui permet de s'adapter à n'importe quelle forme de bloc-piles. La figure 1 montre la bande TTape avec les indicateurs de température imprimés (PTI).
Les indicateurs de température imprimés sont de petits points en matériau polymère à coefficient de température positif. Les PTI sont connectés en série. Lorsqu'un PTI détecte une température supérieure au niveau de seuil, sa résistance augmente d'un facteur supérieur à 1000.
La figure 2 fournit les détails dimensionnels du dispositif de surveillance de température distribuée TTape. Les capteurs de température peuvent être espacés d'environ 10 mm. Le TTape est disponible en option pour une largeur étroite de 8 mm ou 10 mm et une longueur standard de 337 mm. Les modèles personnalisés peuvent mesurer jusqu'à 1 m de long. Des adhésifs sensibles à la pression fixent le TTape à une surface. L'adhésif permet de coller sur des surfaces en métal, en polyamide, en PET et en polyimide.
Une longueur de bande standard de 337 mm comprend dix indicateurs thermiques imprimés. Les conceptions personnalisées peuvent comporter jusqu'à 50 PTI. Les indicateurs thermiques imprimés ont un diamètre maximal de 5 mm avec un espacement standard de 30 mm. L'espacement étroit entre les PTI permet une résolution spatiale accrue pour la surveillance de la température de toutes les cellules du bloc-batterie. Les capteurs de température discrets ne peuvent pas assurer une surveillance aussi précise de toutes les cellules individuelles de la batterie. De plus, avec une épaisseur inférieure à 500 µm, le TTape peut s'adapter à la surface irrégulière du bloc-batterie et avoir un contact direct avec les cellules individuelles du bloc-batterie.
Le TTape se connecte à un circuit électronique avec une interface à plots de soudure à 2 fils. Les figures 1 et 2 montrent les deux plots de soudure et la figure 2 définit leur fonction.
Le TTape est doté d'un point de consigne de température de déclenchement de 58 ± 3 °C pour une détection précoce de surchauffe avant qu'une cellule de batterie n'atteigne un niveau de température dangereux. Les batteries lithium-ion et autres batteries peuvent se charger et se décharger à des températures inférieures à 60 °C avant que les circuits de gestion de batterie classiques n'interviennent. Le système de gestion de batterie interrompt la charge ou la puissance de charge du bloc-batterie lorsqu'une température supérieure à 60 °C est détectée. En général, le point de consigne de 58 °C tolère les fluctuations de température du bloc-batterie qui se produisent lorsqu'un bloc-batterie est sous charge ou rechargé. Les indicateurs thermiques imprimés ont un temps de réponse inférieur à une seconde. Si la température d'un bloc-batterie dépasse le seuil nominal de 58 °C pendant plus d'une seconde, le moniteur de température TTape réagit.
Pour éviter les cycles marche/arrêt rapides à proximité de la température seuil, le matériau TTape PTI présente une caractéristique d'hystérésis qui empêche l'usure des composants critiques du système et évite les fausses alarmes. Cette approche de conception garantit que le système ne répond qu'en cas de véritable surchauffe, contribuant ainsi à la sécurité et à la durabilité du bloc-batterie.
Implémentation du circuit
TTape fonctionne dans les circuits TTL de niveau 1, 5 V ou les circuits logiques 3,3 V. La figure 3 montre une configuration de circuit recommandée pour une utilisation avec un moniteur TTape.T est un niveau logique haut lorsque les indicateurs thermiques imprimés TTape détectent une température supérieure à 58° C et passent à une résistance élevée.T est un niveau logique bas lorsque la température est inférieure à 58° C ou si la température a dépassé la température seuil et est tombée en dessous de 42° C. Les indicateurs thermiques imprimés présentent un effet d'hystérésis d'environ 16° C une fois la température seuil dépassée. Le côté droit de la figure 3 présente la courbe d'hystérésis du dispositif TTape.
Le circuit logique est un circuit simple utilisant une valeur recommandée de RP comme 200 KΩ. VT peut fournir un signal à un convertisseur A/N dans un microcontrôleur. Lorsque le TTape ne détecte pas de point chaud de batterie, le circuit 5 V consomme environ 25 µA pour seulement 125 µW. Le TTape n'a besoin que d'une seule ligne d'entrée A/N sur le microcontrôleur pour transmettre l'état de température des cellules de la batterie. Le microcontrôleur peut faire partie du système de gestion de la batterie ou être une interface avec celui-ci.
Comparaison avec la surveillance de la température par thermistance discrète
Avec seulement 30 mm entre les capteurs thermiques imprimés et un format de ruban adhésif fin qui peut s'adapter à n'importe quelle surface, le TTape peut détecter une augmentation de température d'une cellule de batterie avant qu'un capteur discret ne le puisse, à moins que l'augmentation de température ne se situe juste sous le capteur discret. La figure 4 illustre cette situation. Si une thermistance est à une cellule de distance d'une cellule en surchauffe, il peut falloir plus de deux minutes pour que la thermistance réagisse à la condition de température élevée. Avec des PTI sur chaque cellule, la réponse est inférieure à une seconde.
Contrairement à un capteur NTC, la plateforme de surveillance de température TTape n'a pas besoin d'étalonnage puisqu'il s'agit essentiellement d'un appareil à deux états. De plus, l'électronique qui traite les capteurs TTape ne nécessite pas de table d'étalonnage de conversion de température.
En tant que ruban adhésif conforme, le TTape occupe un espace négligeable sur le bloc-batterie. Le TTape permet une installation facile et permet de surveiller n'importe quelle construction de bloc-batterie. La figure 5 montre un exemple d'installation d'une bande de surveillance TTape sur un bloc-batterie.
Surveillance haute densité pour une sécurité renforcée
La plateforme de surveillance de la température TTape offre aux concepteurs la possibilité unique de disposer d'une surveillance de la température extrêmement compacte sur chaque groupe de cellules d'une batterie de véhicule électrique. La surveillance haute densité minimise le vieillissement prématuré en détectant et en prévenant les points chauds de température sur des cellules individuelles ou un groupe de cellules. Cette solution peu coûteuse et peu encombrante offre une sécurité accrue et une durée de vie prolongée des cellules de batterie. De plus, le dispositif de surveillance TTape est qualifié AEC-Q200 pour une utilisation dans les véhicules automobiles.
Pour plus d'informations sur la plate-forme de surveillance de température distribuée TTape, y compris les détails d'installation et la mise en œuvre du circuit, consultez le Note d'application sur le dispositif de surveillance de température distribuée TTape™.
Pour obtenir une assistance technique, visitez la page produit TTape et contactez Littelfuse sur www.littelfuse.com.