Introduction générale
La découverte de Rachid Yazami en 1980, au Centre
National de Recherche Scientifique et à l'institut de technologie de
Grenoble, a marqué une nouvelle piste dans le domaine des batteries. Ce
chercheur a pu intercaler le lithium dans le graphite. Cette découverte
a permis de rendre les batteries au lithium rechargeable. Cet apport fut
atteint dix ans après la proposition de la première batterie au
lithium.
Les premières batteries au lithium contiennent cette
substance chimique sous forme métallique, ce qui engendre des
problèmes de stabilité et de sécurité. Pour
remédier à ces limitations, la solution fut de l'utiliser sous la
forme ionique.
1991 a marqué une nouvelle étape pour ce type de
batterie. Sony a lancé la production de cette technologie. A partir de
cette date, les batteries Li-Ion n'ont cessé d'évoluer en termes
de composition chimique, de densité énergétique, etc.
Du fait de la tendance actuelle vers les applications mobile,
tels que la téléphonie portable, les tablettes numériques,
les ordinateurs portables, les véhicules électriques, les
satellites, etc., les fabricants ont adopté cette technologie. Ce choix
est justifié par le faible poids, la petite taille, la haute
densité énergétique, etc., de cette batterie.
Les batteries Li-Ion ont nécessairement recours
à un système de gestion, le BMS (Battery Management System). Ce
dispositif assure l'utilisation optimale de l'énergie emmagasinée
au sein de la batterie et une durée de vie maximale.
Sur le marché, plusieurs fabricants proposent
différents systèmes de gestion de batteries. En majorité,
ces systèmes se basent sur une architecture multiplexée qui fait
appel à un seul convertisseur analogique numérique. Cette
solution permet de réduire la taille du système et
essentiellement son coût.
Ce travail entre dans le cadre de l'étude des
différents problèmes liés à cette solution.
L'objectif principal de ce projet est de comparer de façon relative deux
différentes
technologies d'acquisition de données, à savoir
la MAX11068 de Maxim Semiconductors et la LTC6802 de Linear Technology, en
termes de diaphonie et d'injection de charge.
Ce document se compose de trois chapitres : le premier
chapitre présente le cadre générale de ce projet. En
effet, il définit les différentes terminologies liées
à la batterie Li-Ion. En plus, il présente le système de
gestion de ce type de batterie ainsi que les différentes
fonctionnalités qu'il assure.
Pour mieux comprendre cette technologie, le deuxième
chapitre traite d'avantage son comportement électrochimique. Ce chapitre
commence par présenter la batterie VL34480, la batterie sur laquelle les
tests ont été réalisés. Ensuite, l'étude et
la mise en oeuvre de trois différents modèles de batterie Li-Ion
sont proposées.
Le dernier chapitre est réservé pour
présenter le système de mesure multiplexé. Il
s'intéresse en particulier aux deux systèmes
étudiés. Puis, il présente le test effectué pour
évaluer les problèmes reliés à cette architecture,
ainsi que les résultats de ce test et le résultat de comparaison
entre les deux BMS étudiés.
Le chapitre 1: Les batteries: Principes
et Système de Gestion
1.1. Introduction
Du fait du progrès technologique et de
l'évolution rapide des systèmes mobiles, de nombreuses habitudes
changent. L'individu demande de plus en plus d'applications portables. Cette
nouvelle tendance crée une forte demande en source d'alimentation qui
doit être la plus efficace possible, que ce soit en termes de
fiabilité, de temps de charge ou de décharge et surtout de
surface occupée. Par rapport à tous ces points, la batterie
lithium-ion figure apparaît comme la solution la plus adaptée.
Après le mauvais démarrage des batteries en
lithium métallique au début des années quatre-vingt-dix,
les batteries lithium-ion, connues comme les batteries les plus sûres,
ont rapidement récupéré le retard. De nos jours, cette
technologie est concurrentielle vis à vis des domaines à haute
exigence tel que les applications militaires et spatiales.
Ce chapitre s'intéresse en premier lieu, à
définir le principe de fonctionnement des batteries ; ses terminologies
ainsi qu'une classification de différents types de batteries. Ensuite
nous porterons une attention particulière sur le système de
gestion de batterie Lithium-Ion(BMS), son utilité et ses
fonctionnalités.
1.2. Principe de fonctionnement d'une batterie
Une batterie est un dispositif qui convertit l'énergie
chimique directement en énergie électrique [1]. Il se compose
d'une ou plusieurs cellules voltaïques [2]. Chaque cellule voltaïque
se compose de deux demi-cellules connectées en série par un
électrolyte conducteur contenant des anions (ions négatifs) et
des cations (ions positifs). Une demi-cellule contient l'électrolyte et
une électrode utilisée pour la migration des anions, c'est
l'anode ou l'électrode négative. L'autre demi-cellule comprend
l'électrolyte et l'électrode utilisée pour la migration
des cations, c'est la cathode ou l'électrode positive. Le principe d'une
cellule voltaïque est représenté à travers la figure
1.1.
Figure 1.1: Cellule voltaïque composée de deux
demi-cellules reliées par un électrolyte.
La réaction redox, définie comme
l'abréviation du processus d'oxydoréduction, fait fonctionner la
batterie. La réduction (ajout d'électrons) se produit aux cations
au niveau de la cathode, tandis que l'oxydation (enlèvement
d'électrons) se produit aux anions au niveau de l'anode. Les
électrodes ne se touchent pas les unes aux autres, mais elles sont
électriquement reliées par l'électrolyte, qui peut
être solide ou liquide. De nombreuses cellules utilisent deux
demi-cellules avec des différents électrolytes. Dans ce cas,
chaque demi-cellule est enfermée dans un conteneur, et un
séparateur qui est perméable aux ions, mais la majorité
des électrolytes n'empêche pas le mélange.
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