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[PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S



  1. #1
    Exotique

    [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S


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    Hello,

    Comme c'est Noël et que j'ai un peu de temps en ce moment (vivent les vacances), et qu'aucun projet notable n'est survenu ici depuis au moins 5 ans, il était temps à mon avis de proposer un truc dans l'air du temps et qui n'est pas près de s'éteindre, bien au contraire, à savoir la mobilité électrique avec batteries lithium.
    Comme les questions sur les PCM et BMS sont de plus en plus nombreuses et que ce que proposent les "épiciers" sont d'un niveau pathétique pour ne pas dire "devraient être interdits à la vente en l'état", je vais vous présenter une première solution que vous pourrez vous approprier pour vos propres besoins.
    Ces besoins peuvent être variés, allant du remplacement d'un PCM/BMS foireux devenu introuvable (il serait dommage de poubelliser un vélo ou une trottinette juste pour ça), à la fabrication en DIY de votre propre batterie.
    J'ai longtemps hésité à proposer ce type de réalisation mais je me suis dit qu'il vaut mieux expliquer les choses plutôt que de laisser des gens s'embarquer dans une aventure qui peut très mal finir si les connaissances requises sont ignorées.
    Il n'y a pas plus (ni moins) de danger à réaliser ce type de montage que de mettre les mains dans une alim de PC sans savoir comment elle fonctionne vraiment...
    Pour éviter que les plus téméraires aillent chercher de l'info sur des sites que je ne nommerais pas, je vais donc m'y coller.
    Sans vous raconter ma vie, je fais, entre autres, ce type d'exercice depuis maintenant 10 ans à destination des bureaux d'études qui souhaitent acquérir ces compétences sur le sujet des batteries au lithium.
    Tout au long de ces explications j'indiquerai les points clés à connaitre et les précautions que vous devrez prendre pour que tout se passe toujours bien.
    Quand on sait comment ça fonctionne et ce qu'il faut faire (et ne pas faire) on limite au maximum le danger pour les amateurs, et le risque industriel pour les professionnels, en tout cas on dispose des connaissances indispensables pour progresser et mieux aborder un domaine bien plus complexe qu'il n'y parait au premier abord (dixit mes stagiaires).

    Tout comme celui qui fait du parapente, il est d'abord coaché avant de se jeter tout seul du haut de la falaise.

    Auparavant une petite parenthèse s'impose, afin de bien cadrer les choses:

    Comme je l'avais déjà exposé dans une autre vie du forum, cette lecture préalable doit être faite avant ce qui suit:
    https://forums.futura-sciences.com/e...-securite.html

    Vous avez tout lu attentivement? Alors maintenant on peut commencer.

    Pourquoi un bon BMS ou PCM est-il nécessaire?

    Quand vous achetez une batterie au lithium elle représente généralement un budget non négligeable, votre souhait est de la faire durer le plus longtemps possible et qu'elle vous rende un service maximum -> la meilleure autonomie possible ET dans la plus grande sécurité.
    Pour un fabricant, son but premier est que cette batterie ne revienne pas avant la date de fin de garantie, en général 2 ans minimum pour un vélo électrique, trottinette, petits matériels de mobilité.
    Egalement que cette batterie ne soit jamais dangereuse en usage normal pour l'utilisateur et qu'elle passe avec succès les tests indispensables UN38.3 qui permettront de la transporter.
    Les points de sécurité sont contrôlés par un laboratoire spécialisé (par exemple le LCIE), ce qui permettra au fabricant de pouvoir commercialiser sereinement son équipement.

    Quand on sait que le coût moyen d'homologation UN38.3 et l'IEC62133 ed.2 pour un pack lithium de 500Wh type VAE (Vélo à Assistance Electrique) est autour de 12k euros, hors échantillons (en général une vingtaine qui seront perdus après les tests d'outrages du laboratoire) et surtout hors certification des cellules (d'où l'intérêt d'utiliser des marques sérieuses qui elles homologuent leurs cellules), on comprend vite qu'il vaut mieux ne pas trop merdouiller...
    A cela il faudra aussi ajouter les tests CEM évidemment.
    Si on prend le cas le plus défavorable:
    -> cellules dont le fabricant ne possède pas le certificat IEC 62133 ed.2
    -> homologation UN38.3
    -> 20 batterie pour les tests
    -> CEM

    Il faut prévoir un budget de 25k environ.
    Autant dire qu'il faut du volume pour amortir tout ça et tant qu'à faire que ça passe du premier coup...
    C'est là généralement où ça se gâte la première fois pour les BE qui n'ont pas tout bien fait comme il faut.
    Le deuxième effet "kisscool", si je puis dire, est lorsque la batterie garantie 2 ans minimum revient au bout de 1 an seulement, je devrais dire les 10k batteries en fait, parce que vous pensez bien que le fabricant qui a dépensé 20k euros en homologations ne va pas se contenter de produire quelques batteries.
    Et là c'est la grosse cata.
    Oui c'est bien beau de faire tourner le vélo dans la cour ou de tester la batterie sur sa paillasse de labo, il en est tout autre chose quand on a pas pris en compte tout le reste, à savoir l'utilisateur lambda et bien rempli le CdC (le cahier des charges) pour tenir compte de l'environnement d'utilisation (irradiation solaire, chargeur plus ou moins adapté, les courts-circuits, les surcharges courtes mais répétitives, la température, le vieillissement, le stockage, etc).
    Etudier un BMS demande une méthodologie bien particulière et des tests au delà de l'usage normal pour minimiser les risques de défaillances et garantir la longévité cible.
    C'est de cette méthodologie d'étude dont je vais vous parler et pour illustrer concrètement le sujet nous allons voir comment réaliser un BMS qui permettra de protéger efficacement une batterie lithium, donc vous.

    Pour tenir compte de ceux qui ne souhaitent pas (ou ne peuvent pas) utiliser un microcontrôleur nous construirons une base polyvalente qui permet 2 versions, une autonome ou stand-alone et une plus "intelligente" qui s'interfacera avec un système hôte (host) qui permettra de récupérer toutes les informations de la batterie telles que SOC, SOH, courant entrants et sortants, températures, tensions cellules, etc sur un port CAN et UART pour le debug.

    A suivre donc

    -----
    Dernière modification par Exotique ; 26/12/2020 à 01h18.
    Sans pile, on perd la face. (Pierre Desproges)

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  3. #2
    Exotique

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Dressons dans un premier temps le cahier des charges idéal que devrait remplir un bon PCM/BMS.

    Les différents paramètres de sécurités électriques indispensables (qui seront testées par un laboratoire):

    -> protection en surtension
    -> protection en sous tension
    -> protection en température (en charge et en décharge)
    -> protection en sur-courant de charge
    -> protection en sur-courant de décharge
    -> protection en court-circuit*

    les autres fonctionnalités utiles à tout bon BMS:

    -> différents modes de consommations**
    -> protection contre l'écrasement des paramètres usine
    -> possibilité du mode "1 chemin" et "2 chemins"
    -> mesures de plusieurs températures
    -> calcul du SOC
    -> diagnostic du SOH
    -> display leds

    les petits plus qui font la différence des différents circuits spécialisés:

    -> circuiterie de commande pour NMOS
    -> détection déconnexion mesure cellule
    -> raccordement des mesures cellules sans ordre préférentiel***
    -> mesure de courant en high-side (coté +)
    -> précision des mesures
    -> cadence paramétrables des mesures
    -> détection automatique de la déconnexion de la batterie à l'équipement.
    -> stackable (possibilité de monter en étages sériels successifs pour réaliser des packs de plusieurs centaines de volts.

    Et bien sur:
    -> prix
    -> disponibilité
    -> simplicité de mise en oeuvre
    -> outils de programmation/paramétrages
    -> pérennité

    Déjà pour bien fixer les idées, aucun circuit sur le marché ne permet de réaliser toutes ces fonctionnalités en un seul chip.
    La première raison est que les fondeurs ne fabriquent pas de batterie.
    Comme souvent dans les grosses industries du circuit intégré c'est le "besoin" exprimé par le marché qui crée la réponse technologique.
    Il y a toujours eu un déphasage entre les road-map proposées par les grands fabricants et le besoin réel du terrain, souvent par manque d'écoute, de priorisation des budgets, d'une concurrence faible.

    Il y a encore 5 ans, les acteurs majeurs du secteur se comptaient sur une seule main:

    Pour les circuits BMS:
    -> TEXAS INSTRUMENTS
    -> LINEAR TECHNOLOGY (aujourd'hui devenu Analog Devices)
    -> FREESCALE (devenu NXP)

    Pour les circuits PCM:

    -> RICOH
    -> LAPIS/RHOM
    -> SEÏKO

    Il y a aussi de sociétés au rayonnement confidentiel qui ont développé des solutions intéressantes mais bien mal distribuées, souvent chers ou destinées à des niches de marché.

    Vous trouverez ici une liste qui n'est pas exhaustive mais qui reflète assez bien la réalité entre 2012 et 2018.
    http://liionbms.com/html/BMS_IC_table.html

    Nous verrons que depuis relativement peu il y a eu beaucoup d'évolutions par le fait que les marchés de la mobilité électrique se sont littéralement emballés, le mot est même faible.
    Une véritable guère s'est engagée pour conquérir un marché colossal, les investissements en R&D de ces entreprises se comptent, au global, en milliards de $.

    A suivre.
    Sans pile, on perd la face. (Pierre Desproges)

  4. #3
    gienas
    Modérateur

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Bonjour Exotique et tout le groupe

    Citation Envoyé par Exotique Voir le message
    ... À suivre donc.
    Merci pour cette excellente initiative.

    Nous sommes tous toute ouïe, pendus à tes lèvres.

  5. #4
    Exotique

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Développons un peu plus certains points:

    les autres fonctionnalités utiles à tout bon BMS:

    -> différents modes de consommations

    Pour permettre de préserver le plus longtemps possible un pack batterie, différentes stratégies de consommation sont mises en oeuvre selon le mode d'usage.
    Dans le domaine de la batterie lithium, 1mA de consommation (ce qui est déjà très faible) à l'état repos est simplement impensable.
    Un rapide calcul nous montre que cela représente 720mAh.mois et 8.64Ah.an (hors autodécharge naturel de l'accu).
    Imaginez une batterie de 3Ah pour un équipement, il serait complètement à plat au bout d'un peu plus de 2 mois seulement de non utilisation, si on tient compte du transport et du stockage avant vente il serait très rapidement vide.

    Il existe donc différents modes que l'on peut résumer par:

    -> le mode normal ou actif => le circuit est pleinement actif, il est en consommation nominale, généralement < 500µA, tout dépend de son année d'apparition sur le marché.
    -> le mode idle (ralenti) => mesures plus lentes, prise en compte des commandes plus lente, généralement < 300µA
    -> le mode doze (sommeiller) => survient après une diziane de minutes d'inactivité (I < Imin en charge ou décharge), généralement < 200µA
    -> le mode sleep (endormi) => basculement sur une base de temps de 32kHz, fort ralentissement des mesures, MOS au repos, pompe de charge désactivée, généralement consommation < 50µA
    -> le mode shut-down ou power-down (fermé ou à l'arrêt total), généralement < 5µA certains circuits consomment en typique 1µA autant dire rien.

    Il existe d'autres modes plus ou moins subtils selon l'application et le CdC, par exemple le mode "somnambule", un état entre sleep et doze.

    -> protection contre l'écrasement des paramètres usine

    Il est indispensable que les paramètres de sécurité ne puissent être facilement modifiés, en tout cas pas suite à des parasites ambiants ou pour ne pas rendre facile la tache du bricoleur trop curieux.
    Généralement ses paramètres sont stockés en EEPROM ou en flash, avec une procédure particulière qui empêche une modification accidentelle.
    Certains circuits plus sophistiqués emploient des clés de verrouillage pour différents niveaux d'accès à la mémoire flash, si ces clés sont perdus le circuit n'est plus déverrouillable, ni même par le fabricant lui même.
    Cela assure une intégrité forte pour des environnements très agressifs.

    -> possibilité du mode "1 chemin" et "2 chemins"

    Comme nous l'avions déjà vu, selon le niveau de courant de décharge et selon le type d'équipement, il est utile de pouvoir choisir pour réduire les coûts des MOS notamment.

    -> mesures de plusieurs températures

    Selon le volume du pack cellules, 1 température est rarement suffisante, les circuits en possèdent jusqu'à 4 ce qui permet d'étendre les détections sur plusieurs plans (MOS, ambiance, cellules).
    Généralement sur un BMS qui est en tandem avec un µC hôte, ce dernier prend en charge des mesures additionnelles qui peuvent aller jusqu'à quelques dizaines pour de très gros packs.
    Dans tous les cas le circuit de mesure dédié lithium (AFE) est le maître des sécurités, le µC n'est qu'un auxiliaire.

    -> calcul du SOC

    Connaître l'état de charge réel permet d'informer l'utilisateur sur le temps d'utilisation restant.
    Dans le cas du vélo électrique ou d'une trottinette par exemple nous verrons qu'il est possible de moduler la puissance délivrée pour atteindre une distance souhaitée, en envoyant au contrôleur moteur un indice de courant à consommer pour cet objectif de parcours.

    -> diagnostic du SOH

    Le SOH permet de donner un état réaliste du niveau de santé de la batterie, il prend en compte le nombre de cycles mais aussi et surtout prend en compte tout ce qui peut altérer la durabilité.
    Par exemple si la batterie subit trop souvent des courts-circuits/surcharges ou des décharge trop profondes, des plages de températures trop grandes, des stockages trop prolongés (vieillissement calendaire), un équilibrage inefficace, des écarts trop grands entre capacité calculée et capacité effective, etc tout cela devra être perceptible par le moteur logiciel de supervision du SOH.

    -> display leds

    Pour des batteries de faibles dimensions (par exemple un éclairage frontal, un outil électroportatif) il est nécessaire que l'utilisateur puisse savoir où il en est très simplement, que ce soit en charge ou en décharge.
    Certains circuits proposent de 1 à 4 leds nativement, quand ça ne suffit pas on utilisera les ressources d'un µC hôte pour afficher exactement ce que l'on veut (LCD, OLED, TFT, ...).
    Sur les batteries organisées en système, le mode de communication privilégié est généralement un bus tel que le CAN, le SMBus ou l'I2C et l'affichage sera par exemple un écran digital pour un vélo, voir un smartphone en utilisant le bluetooth.

    Un dernier point important qui n'entre pas dans la catégorie sécurité est l'équilibrage.
    Il permet de prolonger la durée de la batterie et d'entretenir la capacité d'origine en égalisant toute la chaîne de cellules.
    La plupart des circuits BMS/PCM permettent de gérer automatiquement l'équilibrage.
    Pour les petites capacités cet équilibrage est réalisé sans composants supplémentaires pour environ 50mA, pour de plus gros packs un équilibreur externe sera requis pour aller jusqu'à plusieurs centaines de mA.

    Pour la suite nous allons voir comment établir un cahier des charges type pour réaliser une batterie de 15Ah-36V pour VAE (10S).
    Il y aura différentes options, comme je vous l'avais annoncé, ce qui permettra de réaliser une batterie minimum comme une batterie d'un niveau haut de gamme selon vos envies.
    Nous verrons aussi comment choisir une topologie adaptée, et choisir parmi différents candidats de circuits qu'offre le marché.

    A suivre.
    Dernière modification par Exotique ; 26/12/2020 à 14h01.
    Sans pile, on perd la face. (Pierre Desproges)

  6. A voir en vidéo sur Futura
  7. #5
    Exotique

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Dans un premier temps voici les caractéristiques électriques de notre BMS/PCM pour VAE:

    page 1/2:
    Images attachées Images attachées  
    Dernière modification par Exotique ; 27/12/2020 à 18h03.
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  8. #6
    Exotique

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    page 2/2:************************
    Images attachées Images attachées  
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  10. #7
    Povogla

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Bravo pour l'initiative

    Je me réjouis de lire la suite =)

  11. #8
    Exotique

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Les cahiers des charges que j'ai fixé provisoirement sont les suivants:

    VAE, puissance moteur 250W Brushless, contrôleur moteur quelconque, batterie 36V-15Ah.
    Nombre de cycles visé: 750 (soit 2 ans @ 1 cycle jour)

    Pour la version light (PCM):

    -> Le réveil du PCM sur la batterie survient la première fois dès le branchement du chargeur.
    -> Le PCM passe en mode shutdown si au moins une cellule est inférieure à 2.7V.
    -> Les niveaux de sécurités sont identiques à la version BMS, hormis le nombre de CTN qui sera limité à 4.
    -> Le PCM par définition ne permet pas de communiquer avec l'extérieur.
    -> L'appui sur un BP permet de connaitre le niveau de tension de la batterie sur 5 leds (pas le SOC).
    -> Nous utiliserons le mode 1 chemin, soit 2x2 NMOS en tête-bêche en high-side.
    -> En cas de protection en surcharge ou court-circuit, un protocole de remise en fonction sera prévu après élimination du défaut.
    -> Le niveau de consommation (hors consommation du VAE) sera limité à 600µA max en stand-by, soit 6Ah sur un an en cas de non utilisation (40% de la capacité nominale).
    -> La consommation en shutdown sera de 2µA.
    -> Le courant de charge sera fixé par le chargeur, le PCM protègera au-delà de 4A, ce qui permet une charge complète en 3h30.
    -> Une redondance en surtension sera implémentée.

    Pour la version haut de gamme (BMS):

    -> topologie orientée système par communication CAN (avec le chargeur, le contrôleur moteur)
    -> le display sera le smartphone qui sera appairé avec le BMS.
    -> mise en fonction et arrêt par bouton poussoir sur la batterie (ON si appui > 1s), OFF si appui >2s)
    -> l'arrêt, si oubli de l'utilisateur, s'effectuera après 10mn d'inactivité
    -> 8 CTN seront disposées dans la batterie (6 pour surveiller les cellules, 1 pour la température ambiante, 1 pour les MOS)
    -> La récupération sur défaut après protection est automatique, après 3 tentatives la batterie se met en sécurité et envoie un statut vers le smartphone avec la procédure correspondante.
    -> Le courant de charge est paramétrable via le smartphone, le BMS indiquera les 3 options disponibles selon l'état de la batterie (notamment en fonction de sa température et son SOH).
    option 1: charge standard 3A (permet une meilleure longévité), recharge en 6h
    option 2: charge semi-rapide à 5A, recharge en 4h
    option 3: charge rapide ou exceptionnelle à 6A, le BMS autorisera ce mode 3x de suite puis option 1 ou 2 5 fois de suite pour retrouver cette fonction.
    -> Seul un chargeur compatible avec les trames CAN du vélo peut être utilisé (ça fera l'objet d'un autre projet), il sera possible de déverrouiller cette fonction mais en perdant l'avantage de l'optimisation de durabilité de la batterie.
    -> Calcul du SOC et diagnostic du SOH envoyés sur le smartphone (Androïd).
    -> Autonomie restante en heure/mn envoyée sur le smartphone, temps de charge restant également.
    -> Historisation journalière (nous y reviendrons) transfert de la RAM vers la zone mémoire flash (traçabilité sur 5 ans).
    -> Historisation des défauts (horodatage), interrogation du fichier d'historisation par le port USART.
    -> L'extinction automatique si non utilisation est paramétrable par l'utilisateur.
    -> L'appairage avec le smartphone se fait aussitôt après appui du BP, un code utilisateur doit être renvoyé vers la batterie en moins de 30s pour déverrouiller celle-ci.
    -> Selon l'état électrique la batterie enverra des warnings et des alarmes (SOC min, température aux limites, puissance anormale)

    Nous complèterons ce cahier des charges selon les inspirations réalisables des uns et des autres

    A suivre.
    Sans pile, on perd la face. (Pierre Desproges)

  12. #9
    Exotique

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Nous allons maintenant rentrer dans le vif du sujet.

    Synoptique du système VAE:
    Images attachées Images attachées  
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  13. #10
    Exotique

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Comme je le disais plus haut il y a aujourd'hui beaucoup de candidats possibles pour réaliser un BMS, chacun ayant ses avantages et inconvénients.
    Ce qui est beaucoup plus rare est de trouver un circuit AFE polyvalent permettant de faire un BMS OU un PCM en un seul circuit.
    Je rappelle qu'un AFE (Analog Front End) est un circuit intégré, généralement hybride, qui contient une partie numérique et une partie analogique directement en contact avec les cellules, indispensable au traitements, aux mesures et aux sécurités.
    Dans les circuits plus complexes, contenant un µC (généralement un 32 bits), tous les périphériques en liaison avec les cellules sont en réalité constitués d'interfaces analogiques, totalement indépendants du traitement numérique en ce qui concerne les sécurités.
    Nous verrons que par exemple la sécurité en court-circuit doit répondre en quelques centaines de µs et ce en toutes circonstances, donc exit un traitement numérique avec des interruptions et une latence variable qui serait désastreuse.
    Pour cette raison il n'est pas sain du tout de faire un BMS uniquement avec un classique µC seul.

    A ma connaissance seuls 2 fabricants proposent un tel circuit PCM/BMS et seulement un seul pour faire un 10S:

    Texas Instruments -> BQ77PL900 (de 5S à 10S)
    Renesas/Intersil -> ISL94202 et ISL94203 (de 3S à 8S)

    Les circuits de Renesas souffrent malheureusement de quelques coquilles conceptuelles qui limitent leur usage pratique en PCM, alors que ces circuits sont pourtant beaucoup plus récents, ce qui montre que même des fondeurs pourtant expérimentés manquent d'expériences sur le coté l'applicatif qui est très vaste et réserve des surprises.

    Comme nous le verrons le BQ77PL900 est un circuit aux ressources modestes comparées aux circuits Renesas mais bien suffisant pour réaliser un BMS haut de gamme.
    Ce qui fait la renommée de Texas pour ces circuits dédiés lithium est qu'ils ont racheté il y a 20 ans Benchmarq, qui fut qui fut le premier fabricant concepteur spécialisé dans les circuits de jauge et de protection pour tous types d'accus et plus spécifiquement les accus lithium, le NiCd et le NiMh.
    En rachetant Benchmarq et récupérant par la même occasion les concepteurs de ces circuits essentiellement analogiques, Texas a ajouté sa grande compétence en numérique et pu ainsi créer des circuits beaucoup plus modernes et extrêmement compétitifs.
    L'expérience des applications et le haut niveau de maîtrise en analogique, font d'eux et de Linear Technology les 2 grands leaders sur marché actuellement.
    NXP ayant racheté Motorola/Freescale est devenu également un sérieux candidat mais plus axé sur le véhicule électrique (en fait le concurrent direct de Linear Technolgy racheté depuis peu par Analog Devices).
    Comme je vous le disais la bataille qui s'est engagée va être terrible entre ces titans technologiques.

    Le BQ77PL900 conçu en 2008, ça passe vite..., connu un immense succès et nous verrons que c'est amplement mérité pour des applications telles que l'outillage électro-portatif, les vélo électriques, et de manière générale tout ce qui constitue le domaine de la petite mobilité électrique.

    Je le choisis aussi parce qu'il est relativement simple d'emploi et toutes ses subtilités vous seront dévoilées ici tout au long de sa mise en oeuvre.

    Nous avons ce qui faut maintenant pour la partie AFE, nous allons y ajouter 2 autres périphériques importants qui complèteront ce BMS:

    1/ Un µC

    Pour des raisons pratiques je vais utiliser un PIC18F66K80, microcontrôleur 8 bits possédant toutes les ressources nécessaires à notre application.

    2/ Une jauge

    Pour alléger le traitement que nous faisons habituellement par des algorithmes pointus, notamment pour la détermination du SOC et du SOH, nous allons utiliser un circuit assez récent le MAX17205 de chez Maxim (passé depuis peu dans le giron d'Analog Devices).
    Comme nous le verrons ce circuit est un sérieux concurrent pour les jauges de chez Texas, plus complexes et aussi plus longs à mettre en oeuvre.
    Un "learning cycle" pour adapter et finaliser le comportement d'une jauge Texas peut prendre plusieurs jours à une personne expérimentée.
    Ce learning cycle permet ensuite de générer ce qu'on appelle un "golden file", qui permettra le clônage pour une production de BMS en très grande série.

    Plusieurs avantages principaux à l'utilisation de ce circuit MAX17205:

    -> utilisation d'un µC de gestion moins rapide, donc consommant moins.
    -> très faible faible consommation (40µA en mode actif et 3µA en shutdown)
    -> redondance* des mesures de courants, redondance de la mesure Vbat et Vpack.
    -> précision de 1 à 3% max du SOC, prise en compte du vieillissement de la cellule.
    -> facile à mettre en oeuvre
    -> partage du shunt avec l'AFE
    -> communication simple en I2C
    -> peu encombrant
    -> disponible

    * Les redondances sont des fonctions parallèles effectuant les mêmes traitements, une redondance ne doit jamais être réalisée par une puce identique d'un même fabricant.
    Une redondance permet de durcir la fiabilité des mesures donc la sécurité.

    Après cette rapide présentation des différents acteurs nous allons voir le synoptique général de notre BMS.

    A suivre.
    Dernière modification par Exotique ; 28/12/2020 à 15h32.
    Sans pile, on perd la face. (Pierre Desproges)

  14. #11
    Exotique

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Voici le synoptique de la solution proposée.
    Pour plus de visibilité j'ai renseigné plus que d'habitude les sous fonctions pour faciliter les explications à venir.
    Images attachées Images attachées  
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  15. #12
    Exotique

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Présentation du circuit BQ77PL900:

    Ce circuit spécialisé possède un jeu de registres restreint mais bien suffisant pour le travail que nous allons lui demander.
    Images attachées Images attachées  
    Sans pile, on perd la face. (Pierre Desproges)

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  17. #13
    Exotique

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Comme vous le voyez on peut quasiment les apprendre par coeur, seulement 11 registres plus l'EEPROM.

    Chaque registre est accessible en lecture/écriture, sauf le premier registre STATUS qui n'est que lisible, il contient l'état des commandes de MOS et des protections.

    Le registre STATUS Adresse I2C du registre 0x00

    CHG: positionné à 1 il indique que la commande du MOS de charge est active, à 0 la commande du MOS est OFF
    DSG: idem mais pour le MOS de décharge

    Les 2 MOS à 1 est l'état normal du chemin en charge et décharge quand il n'y a aucun défaut et que les conditions sont nominales.

    VGOOD: indique que la tension nécessaire à la programmation de l'EEPROM est à un niveau suffisant (Vbat ou Vpack ~20VDC)
    OVTEMP: mis à 1 il indique une température dépassant le seuil de consigne enregistré au delà du temps autorisé
    UV: mis à 1 il indique une sous tension dépassant le seuil de consigne enregistré au delà du temps autorisé
    OV: mis à 1 il indique une surtension dépassant le seuil de consigne enregistré au delà du temps autorisé
    OCD: mis à 1 indique un surcourant dépassant le seuil de consigne enregistré au delà du temps autorisé
    SCD: mis à 1 indique un court-circuit dépassant le seuil de consigne enregistré au delà du temps autorisé

    Ce registre sera systématiquement lu lorsque la pin XALERT (open drain avec une 100K en pull-up) passera à 0.
    XALERT à 0 indiquera au µC (sur une entrée d'interruption) une situation de mise en protection par l'AFE, dès lors le µC devra aller lire le registre STATUS pour voir quelle sécurité a été déclenché.
    Nous verrons par la suite que dès cet instant et selon le défaut rencontré, seul un protocole particulier permettra la remise en fonction (si le défaut a été corrigé).
    Sans pile, on perd la face. (Pierre Desproges)

  18. #14
    Exotique

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Le registre OUTPUT_CONTROL Adresse I2C du registre 0x01

    FS: (et non rien à voir avec Futura ) -> permet 2 temps d'échantillonnage -> 0 => 50ms/cellule ; 1=> 100µs/cellule
    Il est associé à 2 protections (OC et UV) pour régler leurs temps de déclenchement.
    Par défaut il est à 0.

    PFALT: ce bit indique une erreur de parité dans l'EEPROM, il n'est évidemment modifiable que par le BQ lui même.
    Une parenthèse sur l'EEPROM:

    la datasheet indique un nombre garanti d'écriture de l'EEPROM max de 3
    Il faut se rappeler que ce circuit est prévu pour de la grande série, donc pas trop faire joujou à modifier à tour de bras, la config doit être rentrée une bonne fois pour toutes.
    Par expérience je n'ai jamais rencontré de soucis même après 10 modifications, mais prudence donc.

    GPOD

    Ce bit indique que la commande du MOS de précharge est activé.
    La précharge permet une recharge à bas niveau de courant (généralement 50mA) pour remonter des cellules ayant atteint un niveau de tension critique.
    Le but dans cette phase est de surveiller que la progression de charge se fait sans élévation anormale de la température, ce qui indiquerait une présence de dendrite(s), en gros que le séparateur serait traversé par des micros cristaux ce qui provoque des courts-circuits localisés, un trop grande nombre impliquera une élévation anormale de la température.
    Dans ce cas il faudra déclarer la batterie HS.

    CHG: bit permettant d'activer par le µC (en mode host) le MOS de charge.
    Une fois activé on ira lire dans le registre STATUS que le BQ a bien pris en compte l'ordre, si tel n'est pas le cas c'est qu'une condition de sécurité interdit d'honorer l'ordre.

    DSG: bit permettant d'activer par le µC (en mode host) le MOS de décharge.

    LTCLR: ce bit est important car c'est lui qui permettra de réinitialiser l'état du BQ en cas de déclenchement en protection.
    Il est normalement à 0 et sera positionné automatiquement à 1 si une protection est enclenchée.
    La séquence sera la suivante:

    écrire un 0, puis un 1, puis un 0.
    Ensuite lecture du registre STATUS ce qui provoquera son rafraîchissement, si tout est rentré dans l'ordre alors aucun défaut n'apparaitra plus dans le registre STATUS et les MOS auront un état redevenu normal.

    A suivre.
    Sans pile, on perd la face. (Pierre Desproges)

  19. #15
    Exotique

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Le registre STATE_CONTROL

    IGAIN

    Ce bit permet de choisir le gain d'amplification pour la mesure du courant.
    Selon la plage de courant, il sera intéressant de contrôler le gain pour la mesure de tension aux bornes du shunt.
    Nous y reviendrons lors des explications de la procédure de mesure et du calibrage.
    Pour le moment juste retenir que si IGAIN est à 0 le gain sera de 10 (valeur par défaut) et si IGAIN=1 le gain sera de 50.

    VGAIN

    Ce bit permet de modifier le gain en tension pour les mesures des tensions cellules.
    Lorsque VGAIN=0 la référence interne est de 0.975V (+/-2%) et un gain de 0.15, lorsque VGAIN=1 cette référence est de 1.2V (+/-2%) et un gain associé de 0.2

    HOST

    Ce bit permet de passer le BQ77PL900 en mode autonome (stand-alone) -> 0 (par défaut) ou en mode piloté par un µC hôte (host) -> 1

    SHDN

    Ce bit n'est modifiable qu'en mode HOST uniquement, mis à 1 il met le BQ77PL900 en shutdown, la consommation est de 1µA et c'est comme si le pack batterie (les cellules) étaient totalement séparées de l'application.
    Ce bit est donc très utile lorsqu'on veut réduire au maximum la consommation en cas de non usage de la batterie.
    En mode stand-alone ce bit sera activé dès qu'une cellule aura atteint le seuil de sous tension programmé.

    Certains bits de ce registre ne sont pas utilisé mais doivent être mis à 0 lors de l'envoi de l'octet en écriture.


    Le registre FUNCTION_CONTROL

    Registre important lors de la phase de calibration et contient également 2 bits de sélection pour l'équilibrage de CELL9 et CELL10.

    CELL10

    active l'équilibrage sur la cellule 10 si le bit est positionné à 1, si à 0 l'équilibrage sur cette cellule est désactivé.

    CELL9

    active l'équilibrage sur la cellule 9 si le bit est positionné à 1, si à 0 l'équilibrage sur cette cellule est désactivé.

    TOUT

    Ce bit active l'alimentation du pont de mesure de la CTN pour la mesure de température, la température étant une information qui n'évolue pas rapidement, activer de manière espacée la pin TOUT permettra de gagner un peu en consommation.
    La mesure du pont diviseur est faite sur la pin TIN du BQ77PL900.

    BAT

    Lorsque ce bit est à 1 (en coordination avec VAEN=1 le bit0 du même registre) il active la mesure de l'ensemble de la chaine de cellules (dans notre cas du 10S).

    PACK

    Lorsque ce bit est à 1 (en coordination avec VAEN=1 le bit0 du même registre) il active la mesure de la tension de sortie du PACK.

    Une petite parenthèse:

    Les dénominations de PACK et de BAT faites par Texas n'est pas celui que je préconise.
    La batterie est par définition l'ensemble composé du PACK cellule (l'assemblage des cellules -> 10S5P dans notre cas) plus le BMS, donc forcément vu de l'extérieur là où vous branchez le + et le - à l'application.

    Dans le soft nous le préciserons pour qu'il n'y ait pas d'ambiguïté lors de l'utilisation de ces registres.

    Vous remarquerez que dans mon synoptique en #11 je l'ai déjà précisé, donc ne soyez pas surpris en voyant des appellations contraire dans la doc Texas.

    IACAL

    Ce bit permet d'accéder à la tension d'offset de l'amplificateur de mesure du courant, très utile lors de la calibration de celui-ci.

    IAEN

    Ce bite permet d'activer l'amplificateur interne de mesure du courant.

    VAEN

    Ce bit active l'amplificateur interne pour la mesure de tension.

    Le registre CELL_BALANCE

    Comme son nom l'indique il contient les bits d'activation de chaque équilibreur pour les cellules de 1 à 8.
    Nous verrons que dans le mode piloté par µC* (mode HOST) il ne faudra pas activer des équilibreurs sur des cellules adjacentes.
    *Dans le mode stand-alone (BQ autonome) c'est le BQ lui même qui active automatiquement les équilibreurs correspondants aux besoins.

    Le registre CELL_SEL

    CAL2
    CAL1
    CAL0

    Ces 3 bits sont utilisés lors de la procédure de calibration, ce sont des bits de sélection permettant d'agir sur la circuiterie interne de l'amplificateur différentiel.
    Nous aurons l'occasion d'y revenir lors des mesures et des calibrations.

    CELL4
    CELL3
    CELL2
    CELL1

    Ces 4 bits permettent d'adresser 2^4 cellules (16 combinaisons dont 10 seulement seront utilisés):

    0000 -> cellule 1 (celle reliée au - PACK)
    0001 -> cellule 2
    0010 -> cellule 3
    0011 -> cellule 4
    0100 -> cellule 5
    0101 -> cellule 6
    0110 -> cellule 7
    0111 -> cellule 8
    1000 -> cellule 9
    1001 -> cellule 10

    Toutes les autres combinaisons seront comprises par le BQ comme une mesure de la cellule 1 par défaut.
    Là encore l'appellation de Texas est à l'inverse du sens commun, appeler la cellule 10 celle qui est au GND est assez illogique à mon sens.
    J'opte donc pour une appellation des cellules ayant comme sens de progression cell1-> au -pack vers cell10 -> au +pack.

    Les 4 registres suivants font partis des registres en EEPROM ils ne peuvent être modifiés que par écrasement et réécriture de l'EEPROM, ce sont les paramètres de sécurité qui auront été programmé.
    Nous leur consacrerons un chapitre à part.

    A suivre.
    Sans pile, on perd la face. (Pierre Desproges)

  20. #16
    guanglier

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Ca m'intéresse ce sujet !

    j'aurais des accus li ion de 6 éléments à réaliser pour un projet plus conséquent ...
    le fichier "synoptique_BMS_10S_VAE.jp g‎ " c'est le dernier synoptique que tu as fait ?

  21. #17
    Exotique

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Hello, content que le sujet t'intéresse.
    Non le synoptique n'est pas le dernier à jour, je le reposterai un peu plus tard, il n'y a pas de gros changements.

    Là je saisis le schéma, j'en ai pour un bon moment
    Comme j'ai vu que tu te servais de Eagle, je posterai les fichiers dans ce format.
    N'hésite pas si tu as des questions.
    Sans pile, on perd la face. (Pierre Desproges)

  22. #18
    Exotique

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Citation Envoyé par guanglier Voir le message
    j'aurais des accus li ion de 6 éléments à réaliser pour un projet plus conséquent ...
    Ca marchera aussi pour un 6S, quelle que soit la capacité de ta batterie moyennant quelques ajouts, notamment le nombre de MOS.
    Sans pile, on perd la face. (Pierre Desproges)

  23. Publicité
  24. #19
    guanglier

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Salut Exotique !

    Super !
    Tu as déjà les composant dans ta librairie ? (choix éclairé d'ailleurs !!)
    Vu que je pensais aussi les mettre si tu veux je peux m'en taper quelques uns et te les envoyer...

    PIC18F66K80
    BQ77PL900
    MAX17205

  25. #20
    Exotique

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Je les ai déjà en fait.
    Je récupère les empreintes sur ce site de Mouser pour les quelques uns que je n'ai pas:

    https://ms.componentsearchengine.com...artID=11485369

    Plus qu'à les remettre en forme un gros gain de temps.
    Mais merci quand même!
    Dernière modification par Exotique ; 03/01/2021 à 19h36.
    Sans pile, on perd la face. (Pierre Desproges)

  26. #21
    Vincent PETIT
    Animateur Électronique

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Bonjour,
    Citation Envoyé par Exotique Voir le message
    Hello, content que le sujet t'intéresse.
    Oh... je pense qu'on est plusieurs
    Merci de partager ton expérience avec nous.
    Là où il n'y a pas de solution, il n'y a pas de problème.

  27. #22
    Exotique

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Merci Vincent

    Je devrai pouvoir présenter la première page du schéma général demain (le BQ77PL900, le BQ76200, l'équilibrage externe et le bras de puissance NMOS).
    Je détaillerai les petites astuces hardwares de cette carte.
    @+
    Sans pile, on perd la face. (Pierre Desproges)

  28. #23
    guanglier

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Salut Exotique et tous les autres !


    après réflexions, je vais faire quelque chose d'un peu différent : juste le BMS avec un micro et une com vers l'extérieur en I2C.
    En gros l'idée est d'avoir une interface "standard" pour la batterie avec +, -, SDA, SCL...
    voici un premier jet du schema sans le micro ...
    Images attachées Images attachées  

  29. #24
    guanglier

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Citation Envoyé par Exotique Voir le message
    Je les ai déjà en fait.
    Je récupère les empreintes sur ce site de Mouser pour les quelques uns que je n'ai pas:

    https://ms.componentsearchengine.com...artID=11485369

    Plus qu'à les remettre en forme un gros gain de temps.
    Mais merci quand même!
    c'set clair ça fait gagner du temps ! après j'aime bien les retravailler pur supprimer les NC et grouper les masses -> réaffectation nécessaire de l'emprunte ... arf !

    En tout cas je suis impatient de voir ton schéma !

  30. Publicité
  31. #25
    Vincent PETIT
    Animateur Électronique

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Bonjour à tous, bonjour guanglier
    Un grand merci pour ta participation qui contribue à générer de l'information technique, c'est très important pour le forum et sa réputation. Mais j'ai peur qu'introduire des schémas de ta vision du projet ne casse le fil conducteur d'Exotique. Son projet va de toute évidence rejoindre la rubrique "PROJET Electronique" du forum et je crains que ce fil de discussion s'écarte un peu du Cdc ou que des branches, de visions différentes, n'en sortent et qu'on ne s'y retrouve plus. Tu vois ce que je veux dire ?

    Je n'essaie surtout pas de te dissuader de participer, loin de moi cette idée, d'ailleurs si moi même j'ai des questions alors je les poserai dans ce fil mais j'essayerai d'en poser en lien avec le fil conducteur (pourquoi telle structure plutôt qu'une autre ? Comment as tu dimensionné ceci ou ça ?) toujours dans ce soucis de cohérence mais aussi en pensant à ceux qui liront la discussion plus tard.


    ps : tu ne pouvais pas savoir que cette discussion allait rejoindre la rubrique Projet/Tutoriel d'ailleurs je n'en suis pas sur non plus mais vu comment ce Projet démarre....


    Bien à toi
    Vincent
    Là où il n'y a pas de solution, il n'y a pas de problème.

  32. #26
    Exotique

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Citation Envoyé par guanglier Voir le message
    Salut Exotique et tous les autres !


    après réflexions, je vais faire quelque chose d'un peu différent : juste le BMS avec un micro et une com vers l'extérieur en I2C.
    En gros l'idée est d'avoir une interface "standard" pour la batterie avec +, -, SDA, SCL...
    voici un premier jet du schema sans le micro ...
    Il manque plusieurs choses dans ton schéma et il y a aussi quelques erreurs.
    Je vais poster le mien en fin de journée, le mieux serait que tu ouvres un nouveau sujet, sinon ça va devenir difficile de s'y retrouver et on pourra s'en reparler.
    Content que tu suives ce projet.
    Dernière modification par Exotique ; 05/01/2021 à 15h17.
    Sans pile, on perd la face. (Pierre Desproges)

  33. #27
    guanglier

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Bonsoir Vincent, Exotique !

    Désolé vous avez bien raison ça va être le bazar et c'était pas très bon de rajouter encore autre chose !! vaut mieux se cantonner à un seul projet !
    Je vais suivre cela de près, et aussi essayer de voir les erreurs que tu cites

    quand à ouvrir un nouveau sujet, je vais attendre que tu finisses le tiens (et que je finisse du coup le miens) je pense ce serait plus censé !

    (edit : je viens de me dire "tiens je vais voir si je trouve les erreurs", j'ouvre le schéma et 4s plus tard je vois une coquille sur les diodes des gates de mosfet... grrr)
    Dernière modification par guanglier ; 05/01/2021 à 18h20.

  34. #28
    Exotique

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Voici la page schéma contenant l'AFE, les équilibreurs externes et le driver pour les NMOS.
    Les explications et justifications dans le prochain post.
    Images attachées Images attachées  
    Sans pile, on perd la face. (Pierre Desproges)

  35. #29
    guanglier

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Re !

    Pour la masse du BQ tu l'as mise sur SJ2 ça veut dire que tu prévois de la déconnecter ? autrement ne vaudrait-il pas mieux la mettre en fixe ?

    Pas mal le coup des LEDs d'indication et celui du driver de MOS, tu as une grosse batterie je suppose ?

  36. #30
    guanglier

    Re : [PROJET] Réalisation d'un PCM/BMS pour batterie lithium de 5S à 10S

    Citation Envoyé par guanglier Voir le message
    Re !

    Pour la masse du BQ tu l'as mise sur SJ2 ça veut dire que tu prévois de la déconnecter ? autrement ne vaudrait-il pas mieux la mettre en fixe ?

    Pas mal le coup des LEDs d'indication et celui du driver de MOS, tu as une grosse batterie je suppose ?
    Autre question : je suis pas sur d'avoir compris les conditions pour écrire en EEPROM, d'ailleurs je ne trouve pas de réponse claire, ils précisent qu'ils conseillent 20V, mais est-ce que ça ne fonctionne pas en dehors de cette tension ?


    Leur séquence "When supplying BAT, care should be taken not to exceed VCn – VC(n + 1), (n = 1 to 10) > 5 V. " me laisse avec des interrogations : à quelles tensions ça fonctionne / fonctionne pas ?

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