Les solutions de relais dans les panneaux de protection des batteries: principes, avantages et applications

Dans les systèmes de gestion de batterie, la fonction principale d'une carte de protection est de couper le circuit rapidement lorsque des anomalies telles qu'une surcharge, une décharge excessive, une surintensité ou des courts-circuits se produisent, garantissant ainsi la sécurité de la batterie et de l'utilisateur. Actuellement, les deux approches de protection principales sont la solution MOSFET et la solution relais. Cet article se concentre sur les principes de fonctionnement, les caractéristiques techniques et les applications appropriées de la solution relais.

La solution de relais fait référence à un panneau de protection de batterie qui utilise un relais électromagnétique comme dispositif de commutation du circuit principal, contrôlant la connexion et la déconnexion de la batterie en mettant sous tension ou hors tension la bobine du relais. Contrairement à la solution MOSFET, un relais est uninterrupteur mécaniquequi s'appuie sur la force électromagnétique pour ouvrir ou fermer ses contacts.

Une carte de protection typique basée sur un relais se compose d'une puce de gestion de batterie (ou MCU), d'un circuit pilote, du relais lui-même, de résistances de détection de courant et d'autres composants auxiliaires.

La carte de protection surveille en permanence des paramètres tels que la tension, le courant et la température de la batterie. Lorsque tous les paramètres restent dans les plages normales, le MCU ou la puce de protection alimente la bobine du relais via le circuit pilote, les contacts se ferment et la batterie peut se charger ou se décharger normalement.

Lorsqu'une anomalie est détectée :

• Décharge excessive: la tension chute en dessous du seuil inférieur

• Surcharge: la tension monte au-dessus du seuil supérieur

• Surintensité/court-circuit: le courant dépasse la limite définie

Le système de contrôle coupe immédiatement l'alimentation de la bobine du relais, les contacts s'ouvrent et le circuit principal est déconnecté. Une fois le défaut résolu, le système peut refermer le relais via un signal de charge externe ou une commande de réinitialisation.

Les contacts du relais ont une résistance extrêmement faible (généralement de l'ordre du milliohm), générant une chaleur minimale dans des conditions de courant élevé. Cela rend les relais particulièrement adaptés aux applications nécessitant plus de 100 A, telles que les chariots élévateurs électriques, le stockage d'énergie pour camping-cars et les véhicules électriques à basse vitesse. En revanche, les MOSFET subissent un échauffement important en raison d'une chute de tension à des courants élevés.

Il existe une isolation physique entre la bobine du relais et ses contacts, ne nécessitant aucun circuit d'isolation supplémentaire. Cela répond naturellement aux exigences d’isolation de sécurité côté haute et basse tension, simplifiant ainsi la conception.

Les contacts de relais peuvent résister à des surintensités importantes lors de courts-circuits sans être facilement endommagés, alors que les MOSFET sont sujets aux claquages ​​par avalanche dans des conditions de surintensité. Les relais présentent un avantage inhérent en termes de « robustesse ».

Lorsque les contacts du relais sont ouverts, l'espace d'air entre eux entraîne un courant de fuite négligeable, ce qui rend les relais plus sûrs et plus fiables pour les batteries nécessitant un stockage à long terme.

Les relais sont insensibles à la direction du courant. Les contacts fournissent un chemin purement résistif, contrairement aux MOSFET qui nécessitent une connexion en série dos à dos pour obtenir une coupure bidirectionnelle. Il en résulte une structure plus simple.

Bien entendu, la solution relais n’est pas sans inconvénients :

• Durée de vie mécanique/électrique limitée: Les contacts mécaniques s'usent lors de commutations répétées. La durée de vie électrique est généralement comprise entre des milliers et des dizaines de milliers de cycles, ce qui rend les relais inadaptés aux applications de commutation fréquentes.

• Temps de réponse plus lent: Les temps d'activation et de libération des relais sont généralement de plusieurs à dizaines de millisecondes, ce qui est nettement plus lent que celui des MOSFET (microsecondes). Pour une protection extrêmement rapide contre les courts-circuits, des fusibles peuvent être nécessaires.

• Risque de soudage par contact: Sous des courants de court-circuit très élevés, les contacts peuvent fusionner, provoquant une défaillance de la protection.

• Taille et coût: Les relais à courant élevé sont relativement volumineux et leur coût peut dépasser celui des solutions MOSFET équivalentes.

• Bruit audible: Les relais produisent un « clic » audible lors de la commutation, ce qui peut être indésirable dans les applications sensibles au bruit.

Compte tenu de ces caractéristiques, la solution relais est la plus adaptée pour :

1. Batteries de stockage d'énergie de grande capacité(par exemple, stockage d'énergie domestique, alimentation de secours pour les télécommunications) : courant de fonctionnement élevé mais faible fréquence de commutation, moins exigeant en termes de durée de vie.

2. Batteries auxiliaires pour camping-car/marine: Nécessite un support d'onduleur haute puissance et une très faible consommation d'énergie statique (les relais ne consomment aucune énergie lorsqu'ils sont ouverts).

3. Véhicules électriques à basse vitesse(par exemple, voiturettes de golf électriques, véhicules touristiques) : courant élevé et environnements de fonctionnement relativement difficiles.

4. Batteries pour équipements industriels(par exemple, AGV, chariots élévateurs) : Une fiabilité et une résistance aux chocs élevées sont essentielles.

5. Appareils de réparation ou de test de batterie: Les relais offrent un moyen simple et fiable de déconnecter manuellement ou à distance le circuit principal.

Si vous concevez ou sélectionnez une carte de protection basée sur des relais, gardez les points suivants à l'esprit :

• Évaluation des contacts: Prévoyez une marge suffisante. Choisissez un relais évalué à au moins 1,5 fois le courant continu attendu. La capacité de tenue aux courts-circuits doit également correspondre aux conditions réelles.

• Consommation électrique de la bobine: Les bobines de relais DC consomment généralement entre 0,5 W et 3 W. Une conception appropriée du circuit de commande et une dissipation thermique sont importantes.

• Matériel de contact: Les contacts en alliage d'argent conviennent aux applications générales ; l'oxyde d'argent-étain (AgSnO₂) et l'argent-nickel (AgNi) offrent de meilleures performances anti-soudure.

• Cote d'étanchéité: Pour les environnements humides ou vibrants, privilégiez des relais étanches ou encapsulés époxy.

• Contacts auxiliaires: Certains relais fournissent des contacts auxiliaires qui peuvent signaler l'état réel des contacts, améliorant ainsi la sécurité du système.

La solution de relais reste irremplaçable dans les applications nécessitant un courant élevé, une faible fréquence de commutation et une isolation de sécurité élevée. Bien qu'ils soient peut-être moins « intelligents » et « rapides » que les solutions MOSFET, les relais continuent d'être largement utilisés dans le stockage d'énergie, les équipements industriels et les véhicules spéciaux en raison de leur simplicité, de leur fiabilité et de leur durabilité.

Le choix entre relais et MOSFET dépend en fin de compte des exigences de votre produit. Pour les petites batteries de l’ordre d’une centaine de watts, les MOSFET sont plus adaptés. Pour les grosses batteries de l’ordre du kilowatt, voire des dizaines de kilowatts, les relais constituent souvent le choix le plus pragmatique.

J'espère que cet article vous fournira une compréhension complète des solutions de relais pour les cartes de protection de batterie. Si vous avez une expérience pratique en conception ou des questions, n'hésitez pas à laisser un commentaire.