Fiabilité des thermistances CTN dans les circuits de batteries automobiles

Lors de l'utilisation de cartes à circuit imprimé flexibles dans les systèmes de gestion de batterie des véhicules électriques, la contrainte mécanique et les variations de température issues du soudage laser peuvent entraîner une fissuration due à la chaleur au niveau des thermistances CTN à montage en surface. Cette défaillance potentiellement catastrophique est difficile à détecter. Cette menace de fissuration des composants peut être réduite en utilisant des thermistances à oxyde métallique avec des terminaisons flexibles.

Le marché des véhicules électriques (VE) poursuit sa croissance rapide, et il en est de même pour les défis techniques et les innovations développées pour les relever. Parmi ces innovations, les ingénieurs concepteurs se concentrent principalement sur l'amélioration des technologies de batterie, sur le rendement du circuit de puissance et sur les solutions de charge rapide.

Actuellement, la composition chimique la plus utilisée dans les batteries des véhicules électriques est le lithium-ion, avec des tensions de cellules simples de 3,6 V à 3,7 V. La création d'un système d'alimentation avec une tension globale de 500 V à 900 V peut ainsi nécessiter jusqu'à plusieurs centaines de ces cellules dans une configuration en série/parallèle. En outre, l'optimisation des performances pour un système contenant autant de cellules nécessite un système de gestion de batterie (BMS) efficace, qui doit surveiller la température, l'impédance (résistance des cellules internes), la tension, ainsi que le courant de charge et de décharge. Chacune de ces spécifications a un impact sur les performances de la batterie.

Un système de gestion de batterie est composé d'un contrôleur de gestion de cellule (CMC) et de l'unité centrale principale, c'est-à-dire le contrôleur de gestion de batterie (BMC). Les contrôleurs de gestion de cellule utilisent des circuits intégrés multicanaux (comptant actuellement jusqu'à 16 canaux) pour assurer la fonction de surveillance, tandis que le contrôleur de gestion de batterie gère la fonction de contrôle de chaque contrôleur de gestion de cellule. Les principaux paramètres mesurés dans ce type de système sont la température, l'impédance, la tension et le courant.

Lorsque l'on s'intéresse spécifiquement à la mesure de la température, les thermistances à coefficient de température négatif (CTN) constituent la solution de composant la plus courante. Typiquement, ces dispositifs sont placés tout près des parois de la cellule ou du module, ou des connexions électriques afin d'identifier les « points chauds ». Lorsque la température de la thermistance augmente, la résistance électrique diminue avec une courbe de sensibilité élevée due au coefficient de température négatif de résistance élevé du composant. La température est déterminée en mesurant la tension dans le réseau résistance-thermistance par le biais d'un convertisseur analogique-numérique (CAN) intégré au circuit. Des mesures de température précises sont très importantes pour le bon fonctionnement de la batterie et pour la sécurité du système. Pour obtenir ces mesures précises de la température, les thermistances CTN et les résistances du circuit de mesure sont essentielles.

Thermistances CTN à montage en surface typiques. (Source de l'image : Vishay)

Les systèmes de batterie haute tension peuvent être composés de vingt thermistances CTN à montage en surface ou plus, placées sur un circuit flexible enroulé autour de la structure de batterie assemblée. Si le substrat de montage est un circuit imprimé FR4, ces composants peuvent être soudés par refusion ou à la vague. Cependant, certains circuits flexibles ne peuvent pas utiliser ces techniques de soudage et s'appuient plutôt sur le soudage laser avec chauffage local pour éviter d'endommager d'autres composants sensibles. Si ce processus n'est pas étroitement contrôlé, il peut entraîner une fissuration thermique des composants céramique. De même, le système de batterie tout entier peut subir une contrainte mécanique considérable dans son assemblage et son fonctionnement. Là encore, l'assemblage de circuit flexible peut être exposé à une contrainte de type torsion via les terminaisons des composants, voire à une pression directe sur les composants pouvant entraîner une fissuration.

Finition mate plaquée SN/Pb (étain/plomb) avec un minimum de 4 % de plomb. (Source de l'image : Vishay)

Ce type de défaillance dépend de plusieurs facteurs, ce qui la rend plus difficile à détecter et à prévoir. Par ailleurs, comme pour les condensateurs céramique multicouches qui ont fait l'objet d'une documentation étendue, la véritable défaillance du composant (fissuration) peut apparaître bien plus tard, bien après le déploiement du système. Ce type de défaillance peut également être catastrophique et coûter très cher en termes de remplacement/réparation.

Pour réduire les risques de fissuration des composants due aux variations de température ou aux contraintes mécaniques potentielles lors de l'utilisation de circuits imprimés flexibles, la série NTCS de thermistances de Vishay utilise un matériau à oxyde métallique massif avec une terminaison polymère à l'époxy durcie, électrogalvanisée avec de l'étain-nickel, plutôt qu'un matériau cuit à couches épaisses. Cette solution offre une structure de terminaison flexible qui surpasse largement les autres matériaux de terminaison lors des tests de contrainte, en plus des solutions de terminaisons flexibles d'autres fabricants que l'on trouve sur les composants céramique multicouches.

Étant donné que les contraintes exercées sur les assemblages de gestion de batterie qui utilisent des circuits imprimés flexibles peuvent varier d'un assemblage à l'autre, l'utilisation de solutions à terminaisons flexibles capables d'absorber la force de torsion et la contrainte thermique peut réduire considérablement le risque de défaillances sur le terrain, et donc améliorer la fiabilité et la durée de vie utile du système.