L’augmentation de la durée de vie de la batterie peut avoir de nombreuses conséquences, notamment l’amélioration des performances du système, une meilleure durée d’utilisation et une réduction des coûts. L’un des moyens d’augmenter la durée de vie des batteries est d’optimiser la conception des circuits afin de limiter le nombre de dispositifs que l’énergie doit traverser avant d’atteindre une charge. Dans cet article, découvrez comment la technologie PassThru™ peut contribuer à accroître la longévité et l’efficacité d’un système de stockage d’énergie.
Introduction
L’allongement de la durée de vie de la batterie permet d’augmenter les performances du système, de prolonger la durée de fonctionnement et de réduire les coûts. En règle générale, trois des moyens d’y parvenir sont l’amélioration de la technologie des batteries, la conception de meilleurs appareils et l’innovation en matière de systèmes de gestion de l’énergie. L’amélioration de la technologie des batteries comprend le choix de la bonne batterie pour l’application spécifique et la conception du système de gestion de la batterie approprié pour contrôler la charge, réguler la température et minimiser les pertes. La conception de meilleurs appareils implique la prise en compte de composants matériels efficaces et de microprogrammes robustes, tous deux nécessaires pour offrir un équilibre optimal entre fonctionnalité et longévité. Pour optimiser intelligemment la consommation d’énergie, il est possible de tirer parti des derniers systèmes de gestion de la puissance qui utilisent des algorithmes basés sur l’intelligence artificielle, des topologies plus récentes et des méthodes de contrôle des convertisseurs efficaces telles que le mode PassThru et le mode économie d’énergie.
Comprendre les supercondensateurs
L’utilisation de dispositifs de stockage d’énergie tels que les supercondensateurs parallèlement aux batteries peut s’avérer bénéfique pour différents cas d’utilisation. Les avantages sont notamment une charge et une décharge rapides pour de courtes périodes de puissance, une durée de vie plus longue et une plus grande efficacité globale du système. Par exemple, les supercondensateurs sont parfaits pour stocker rapidement de l’énergie et fournir une alimentation de secours. Ils peuvent résister à des températures et des conditions extrêmes. Lorsqu’ils sont associés à des batteries, comme dans les voitures électriques, les supercondensateurs permettent d’améliorer les performances et d’augmenter la durée de vie des batteries. En outre, les supercondensateurs sont plus respectueux de l’environnement.
Figure 1. Comparaison des caractéristiques de décharge typiques d’un supercondensateur de 24 V et d’une batterie Li-Po avec une charge de 0,5 A.
La figure 1 montre en quoi un supercondensateur diffère d’une batterie. Avec la même tension nominale, la batterie Li-Po à 6 éléments, 0,1 Ah, présente les caractéristiques d’une source de tension puisqu’elle fournit une tension plus stable pendant toute la durée de son fonctionnement. En revanche, la tension chute linéairement lorsque le courant circule d’un supercondensateur de 2 farads vers la charge. Cette caractéristique de décharge linéaire des supercondensateurs requiert des systèmes plus efficaces pour convertir son énergie. C’est à ce moment-là que la fonctionnalité du convertisseur buck-boost est utilisée de préférence, car il peut réguler correctement la tension de sortie, que la tension d’entrée soit inférieure ou supérieure à la valeur de réglage de la tension de sortie.
Qu’est-ce que le mode PassThru ?
La technologie PassThru est une caractéristique essentielle pour les dispositifs à large entrée d’énergie. Elle permet d’améliorer l’efficacité et de prolonger la durée de vie des systèmes de stockage d’énergie par rapport aux systèmes qui utilisent un contrôle conventionnel (contrôleur buck-boost standard). Le passage se produit lorsque, dans une fenêtre de tension prédéfinie, l’entrée est transmise directement à la sortie, comme s’il s’agissait d’un fil court-circuité. La technologie PassThru agit comme un réseau entre la source d’énergie, telle qu’un supercondensateur, et la charge, assurant la régulation de la tension dans une plage acceptable spécifiée. Elle garantit que l’appareil fonctionne aussi efficacement que possible en fournissant un chemin direct entre la source d’énergie et la charge. Le mode PassThru est un élément important pour garantir l’efficacité optimale de tout dispositif alimenté par un supercondensateur, car il réduit les cycles de charge/décharge du supercondensateur et améliore les interférences électromagnétiques ainsi que les performances globales du dispositif.
Comment le mode PassThru prolonge la durée de vie d’un système de stockage d’énergie
Le mode PassThru dans les convertisseurs buck-boost à 4 interrupteurs fournit un chemin direct de la source d’alimentation à la charge de sortie conformément à un réglage de fenêtre spécifié, comme le montre la figure 2. L’entrée est directement transmise à la sortie. Cela améliore le rendement à la fenêtre PassThru spécifiée en éliminant les pertes de commutation et améliore également la compatibilité électromagnétique, car la fréquence de commutation ne se produit pas en mode PassThru. Le mode PassThru dans un convertisseur buck-boost offre de la flexibilité car il permet de définir une tension de sortie buck différente de la tension de sortie boost. Ceci est contraire aux circuits intégrés buck-boost typiques qui n’ont qu’une seule tension de sortie nominale. Cette fonction protège également la charge lorsque la tension d’entrée se comporte de manière anormale. La technologie PassThru est un mode de fonctionnement du LT8210, qui est le seul contrôleur buck-boost disponible sur le marché à posséder cette capacité.
Figure 2. Schéma de circuit du convertisseur Buck-boost avec mode PassThru.
Pour avoir un aperçu du fonctionnement du LT8210 en mode PassThru, on peut se référer à sa fiche technique ou au profil d’efficacité de sa carte de démonstration. La figure 3 montre le profil d’efficacité de la carte de démonstration DC2814A-A, balayé d’une tension d’entrée de 4 V à 24 V et d’une charge de 10 % à 80 %. Utilisant le LT8210, cette carte de démonstration fonctionne de 4 V à 40 V de tension d’entrée, avec un courant de pleine charge de 3 A et une tension de sortie de 8 V à 16 V. Le fonctionnement en mode PassThru augmentera l’efficacité jusqu’à 5 % dans les charges plus lourdes et jusqu’à 17 % dans les charges plus légères, comme avec une charge de courant de 10 %, en référence au fonctionnement du buck-boost. Ainsi, dans des conditions de fonctionnement avec des charges légères, le mode PassThru apporte une amélioration significative.
Notamment, alors que le mode PassThru du LT8210 permet de régler une tension de sortie boost différente de la tension de sortie buck, lorsque la tension d’entrée est proche du réglage de la tension de sortie, la région buck-boost apparaît. Cette région d’amplification présente dans le LT8210 est due à l’intersection des régions de contrôle d’amplification et d’amplification en ce qui concerne la régulation du courant d’une inductance.
Figure 3. Profil d’efficacité DC2814A-A.
Pour comprendre l’effet appliqué du mode PassThru, considérez le système de la figure 4. Le convertisseur buck-boost à 4 interrupteurs est utilisé comme prérégulateur d’un convertisseur de point de charge qui est également utilisé comme pilote de moteur. Alors que la source d’alimentation est un supercondensateur de 24 V, le moteur à courant continu nécessite une spécification d’entrée de 9 V et 0,3 A. Le convertisseur buck-boost utilisera soit le mode PassThru, soit la commande buck-boost conventionnelle à 4 interrupteurs fonctionnant en mode de conduction continue (CCM). Notez que la commande buck-boost conventionnelle ne dispose pas du mode PassThru. Elle ne dispose que des modes de fonctionnement buck, boost et buck-boost, comme le montre la figure 3.
Le système utilisant le mode PassThru a sa tension de sortie boost réglée à 12 V tandis que la tension de sortie buck est réglée à 27 V. Cela permet à la tension de démarrage du supercondensateur de rester dans les limites de la bande passante.5 Ainsi, le système passera en mode PassThru d’une tension de 24 V à 12 V pour le supercondensateur. Pendant cette période, l’efficacité atteint 99,9 %. Notez que le convertisseur passe en mode "buck-boost", ce qui entraîne une baisse de rendement avant de passer en mode Boost. D’autre part, le système fonctionnant avec le contrôle buck-boost conventionnel a été réglé pour fonctionner avec une tension de sortie constante de 16 V. Ceci a été fait pour régler la tension de sortie autour du point médian des limites de la bande passante.
Figure 4. Schéma fonctionnel d’un moteur alimenté par supercondensateur.
Figure 5. Comparaison de l’efficacité d’un système PassThru par rapport à un convertisseur buck-boost conventionnel fonctionnant avec un CCM.
La figure 5 montre une comparaison du rendement des deux convertisseurs buck-boost lorsque la tension est balayée de 4 V à 24 V à 2,7 W. Le mode PassThru a augmenté le rendement de 22 % à 27 % par rapport au système à commande conventionnelle. Pour valider davantage la différence entre les deux systèmes, ils ont été testés avec la fonction d’émulation de batterie de l’IT6010C-80-300 d’ITECH. Les paramètres suivants ont été utilisés pour émuler la réponse des supercondensateurs avec un temps de fonctionnement d’au moins 120 secondes : tension de démarrage de 24 V, tension finale de 0 V, charge électrique de 0,005 Ah et résistance interne de 0,01 mΩ. La figure 6 montre les formes d’onde des deux systèmes. Le canal 1 correspond à la tension de l’émulateur de batterie, le canal 2 à la tension du moteur et le canal 3 au courant du moteur. Le système contrôlé par PassThru a fonctionné pendant 224 secondes, alors que le système conventionnel n’a fonctionné que pendant 150 secondes. Ainsi, une augmentation de 49 % du temps de fonctionnement a été observée pour le système utilisant le mode PassThru.
Figure 6. Durée totale de fonctionnement du moteur alimenté par des supercondensateurs.
Voici quelques-uns des points qui rendent un système contrôlé par PassThru plus efficace :
- Le mode PassThru élimine le fonctionnement en boucle
- La tension de la batterie se situe dans la bande passante
- Il est conçu pour fonctionner à faible charge, en mettant l’accent sur les pertes de commutation.
Conclusion
La technologie PassThru est un élément important pour une performance optimale de tout dispositif alimenté par des supercondensateurs. L’utilisation du contrôleur buck-boost synchrone LT8210, équipé du mode PassThru, peut grandement optimiser l’efficacité d’un appareil alimenté par supercondensateur, comparé à un système contrôlé de façon conventionnelle (buck-boost fonctionnant avec un CCM). Dans notre exemple, le mode PassThru a permis d’augmenter le rendement de 27 % et la durée totale de fonctionnement du système, prolongeant ainsi la durée de fonctionnement du système de stockage d’énergie de 49 %.
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