Auteur : Aspiyan Gazder, Ingénieur conception, Produits de puissance, Linear Technology Corp.
Les batteries au plomb sont couramment utilisées dans un large éventail d’industries et d’applications. L’industrie des télécommunications utilise une batterie de quatre accumulateurs au plomb en série pour constituer une batterie de 48V. Les solutions de stockage d’énergie (ESS) utilisent les batteries au plomb dans une variété de configurations en série et en parallèle pour stocker l’énergie générée par les sources d’énergies renouvelables telles que l’éolien et le solaire. Les accumulateurs au plomb connectés en série font l’objet d’une utilisation intense dans l’industrie des systèmes d’alimentation sans coupure (uninterruptible power supply ou UPS) pour fournir une alimentation de secours quand l’alimentation principale est coupée. Les voiturettes de golf et autres véhicules électriques industriels sont traditionnellement alimentés par une batterie d’accumulateurs au plomb connectés en série.
Dans tous les exemples mentionnés ci-dessus, deux accumulateurs au plomb au minimum sont connectés en série. Lorsque l’un des accumulateurs au plomb de la batterie tombe en panne, tous les accumulateurs au plomb en série de la batterie doivent être remplacés pour que la batterie d’accumulateurs conserve les mêmes performances. Cela représente un coût considérable.
Au cours de la fabrication des batteries, un cahier des charges très strict en ce qui concerne les paramètres tels que capacité, résistance équivalente, courant de fuite et nombre de cycles de décharge, doit être respecté pour assurer la qualité et garantir une durée de vie minimum et la conformité à un certain nombre de normes. De plus, ces spécifications ne s’appliquent qu’à un seul accumulateur. Il existe des variations de caractéristiques des accumulateurs en raison des limitations du procédé de fabrication, et quand plusieurs accumulateurs sont connectés en série dans une batterie, ces caractéristiques ne s’appliquent plus à la batterie d’accumulateurs. Les accumulateurs connectés en série dérivent au cours du temps à cause des courants de fuites inégaux et des capacités des accumulateurs qui peuvent changer individuellement au cours du temps. Des conditions de fonctionnement extrêmes et des cycles de décharge fréquents aggravent encore ces problèmes, qui conduiront finalement à la défaillance d’un des accumulateurs dans la batterie. À ce stade, toute la batterie d’accumulateurs est alors jugée défectueuse, et tous les accumulateurs de la batterie doivent être remplacés. Remplacer uniquement l’accumulateur défectueux ne résoudrait pas le problème, puisque les caractéristiques de l’accumulateur de remplacement peuvent être très différentes de celles des autres accumulateurs dans la batterie, et conduirait à une nouvelle défaillance de la batterie. Ce problème est vrai pour les batteries d’accumulateurs réalisées avec des accumulateurs de n’importe quelle composition chimique, pas seulement les accumulateurs au plomb. 
Dans la plupart des batteries d’accumulateurs connectés en série, seule la tension globale de la batterie est mesurée, et les accumulateurs de la batterie sont considérés comme étant similaires et la charge comme étant également répartie entre eux. Figure 1 décrit un scénario dans lequel la tension globale de la batterie est programmée à 53,2V, mais les tensions individuelles de chaque accumulateur ne sont pas connues et peuvent ne pas être toutes de 13,6V. Comme la charge n’est pas répartie également entre tous les accumulateurs de la batterie, certains des accumulateurs de la batterie peuvent se retrouver en forte surcharge pendant qu’un des accumulateurs n’est pas complètement chargé. La surcharge et la sous-charge des batteries au plomb entraînent une dégradation de la durée de vie de l’élément de batterie.
La surcharge des batteries au plomb entraîne la décomposition de l’eau présente dans l’électrolyte en oxygène et en hydrogène, et fait donc baisser le niveau d’électrolyte dans les batteries. Ceci a deux conséquences. La concentration de l’acide sulfurique dans l’électrolyte augmente, ce qui détériore les plaques d’élément de batterie et réduit la durée de vie de l’accumulateur. De plus, comme le niveau de l’électrolyte a baissé, une partie des plaques est exposée à l’air, ce qui entraîne l’oxydation de la plaque et réduit la capacité de l’accumulateur. Les batteries au plomb sans entretien et les batteries sèches sont particulièrement sensibles à la surcharge puisque l’eau perdue ne peut être remplacée. La sous-charge des batteries au plomb entraîne une sulfatation des plaques au cours de laquelle l’acide sulfurique réagit avec les plaques pour former des cristaux de sulfate de plomb. Ceci réduit la capacité de l’accumulateur à recevoir une charge complète, et la sous-charge empire, menant à une défaillance prématurée de l’accumulateur.
Pour augmenter la durée de vie de la batterie d’accumulateurs, chaque accumulateur de la batterie doit être équilibré. Selon la sagesse populaire, la surcharge d’une batterie d’accumulateurs au plomb en série permet d’équilibrer les accumulateurs de la batterie individuellement, ce qui, en théorie, contribue à augmenter la durée de vie de l’accumulateur. Cependant, cette approche présente des failles.
La seule manière de garantir que tous les accumulateurs dans une batterie soient à la même tension, est d’employer une solution d’équilibrage dans laquelle les accumulateurs en surcharge se débarrassent de leur excès de charge pendant que les accumulateurs en sous-charge reçoivent une charge supplémentaire. Une solution efficace d’équilibrage des accumulateurs nécessite un réseau de commutateurs qui peut être utilisé pour déplacer une charge d’un accumulateur à un autre pour obtenir une batterie d’accumulateurs équilibrés. La circuiterie de commande est complexe et une mise en œuvre à base de composants discrets est encombrante et coûteuse. L’équilibreur d’accumulateurs au plomb LTC3305 est le premier et unique équilibreur actif d’accumulateurs au plomb de l’industrie, qui permet d’équilibrer tous les accumulateurs d’une batterie, connectés en série les uns par rapport aux autres.
Figure 2a montre une application dans laquelle un seul LTC3305 est utilisé pour équilibrer quatre accumulateurs au plomb connectés en série. Chaque accumulateur dans la batterie est individuellement et successivement connecté en parallèle avec un élément auxiliaire de batterie employant un réseau de 10 transistors NMOS à faible RDS(ON) contrôlé par le LTC3305. Si les tensions sont différentes, le courant circule dans la direction appropriée jusqu’à ce que les tensions de l’accumulateur individuel et de l’élément auxiliaire de batterie soient égales. Le LTC3305 passe alors à l’accumulateur suivant dans la batterie.
Cette séquence se poursuit (1, 2, 3, 4, 1, 2, 3, 4) jusqu’à ce que tous les accumulateurs dans la batterie (et l’élément auxiliaire de batterie) soient équilibrés en tension à une valeur comprise dans un intervalle autour d’un seuil défini, comme montré par la courbe de la figure 2b. Le courant maximum pouvant circuler à chaque connexion est limité par une thermistance externe à coefficient de température positif (CTP).
Le LTC3305 permet deux modes d’opération, qui sont programmables par l’intermédiaire de la broche MODE, et quatre seuils de fin d’équilibrage, qui sont programmables par l’intermédiaire des broches TERM1 et TERM2. Le LTC3305 présente aussi des comparateurs de surtension et de sous-tension qui contrôlent la tension de l’accumulateur et rapporte un défaut si la tension de l’accumulateur dépasse le seuil programmé. Les seuils de sous-tension et de surtension sont programmables à l’aide respectivement des broches VL et VH en association avec la broche ISET.
Plusieurs dispositifs LTC3305 peuvent être empilés pour équilibrer des batteries d’accumulateurs comportant plus de quatre accumulateurs au plomb connectés en série. Dans la figure 3, trois dispositifs LTC3305 sont utilisés pour équilibrer jusqu’à dix accumulateurs dans une batterie d’accumulateurs. Chaque LTC3305 nécessite son propre élément auxiliaire de batterie pour la réalisation de l’équilibrage.
L’équilibrage des batteries au plomb à l’aide du LTC3305 présente également d’autres avantages. Les circuits basse tension peuvent être alimentés à partir des nœuds de batterie intermédiaires, sans introduire de déséquilibre dans la batterie d’accumulateurs, comme montré Figure 4. Ceci contribue à réduire les coûts puisque les prix des composants discrets et des circuits intégrés augmentent avec la tension nominale. La capacité de l’élément auxiliaire de batterie s’ajoute à celle de la batterie, résultant en des durées de fonctionnement plus longues.
En conclusion, les batteries d’accumulateurs au plomb bénéficieraient d’un équilibrage. Une batterie d’accumulateurs équilibrée présente une durée de fonctionnement allongée, supérieure à celle de l’accumulateur ayant la plus petite capacité dans la batterie. De plus, la durée de vie de la batterie est aussi allongée, ce qui réduit les dépenses occasionnées par le remplacement des accumulateurs défectueux de la batterie. La solution complète d’équilibrage d’accumulateurs au plomb fournie par le LTC3305 permet d’équilibrer les batteries d’accumulateurs avec un minimum d’effort de conception.
Légendes des figures :
Figure 1 : La tension globale de la batterie n’est pas répartie également entre les accumulateurs de la batterie
Figure 2 : Équilibreur de 4 accumulateurs complet
Figure 3 : Plusieurs dispositifs LTC3305 peuvent être empilés pour équilibrer plus de quatre accumulateurs connectés en série
Figure 4 : Les circuits basse tension peuvent être alimentés à partir des nœuds intermédiaires
Source: zellercom.com