Conception optimale des interfaces de charge des batteries Li-Ion à base d’un DC-DC Buck-Boost et d’un régulateur LDO pour des applications hautes et basses tensions

Abstract

Réduire le temps de charge d’un dispositif à batterie, voire s’en passer, est aujourd’hui devenu une obligation pour les interfaces de charge. Ainsi, conformément à la politique mondiale d'application des énergies renouvelables ou alternatives, le domaine de stockage d’énergie, notamment les batteries Li-ion représentent un large axe de recherche, que ce soit au niveau de la durée de charge, de cycle de vie et aussi de l’interface de charge utilisée. La motivation de cette thèse est l’étude et la conception analogique d’une interface de charge dédiée à la batterie Li-ion, pour des applications à basses et à hautes tensions. Pour ce faire, nous avons étudié d’une manière indépendante chaque partie du système (batteries, régulateurs linéaires, convertisseurs à découpage et gestion d’énergie …), tout en pensant à leur intégration au sein du système afin que celui-ci soit le plus performant possible. Dans ce travail, nous avons tout d’abord étudié profondément les différents types de batteries existant sur le marché, les besoins et les évolutions. Ensuite, nous avons étudié et modélisé les interfaces de charge qui figurent dans la littérature, afin d’extraire les problèmes conduisant à : l’abaissement du rendement de ces systèmes, le risque d’endommagement des chargeurs suite à l’élévation de la température durant la procédure de charge, la surface de l’interface afin de la rendre beaucoup plus intégrable dans les microsystèmes. La première contribution consiste à concevoir une interface de charge basée sur un régulateur de type LDO dédié à l’application des téléphones portables. Nous avons développé un circuit de sélection de mode de charge qui nous a permis d’atteindre un rendement élevé de 90% avec une surface totale de 1.5 mm2.En intégrant un circuit de détection de température, nous avons pu protéger le système contre les hautes températures. La deuxième contribution consiste également à concevoir une interface de charge mais basée sur un convertisseur DC-DC Buck-Boost dédiée à l’application des véhicules électriques. Pour atteindre les performances requises, des circuits ont été développés, notamment le circuit de démarrage progressif qui permet d’assurer la stabilité de la tension de sortie. Nous avons ainsi cherché à améliorer le rendement du système. Pour cela, nous avons proposé un circuit de sélection de mode. Toutes ces optimisations ont permis au système de fonctionner sur une large plage de tension avec un rendement de l’ordre de 97,6%.