La batterie de traction est un assemblage de plusieurs « petites batteries », qui permettent de stocker l’énergie nécessaire au fonctionnement du véhicule. Ces constituants unitaires peuvent se révéler dangereux si leur utilisation n’est pas contrôlée. Ainsi, pour assurer la sécurité des usagers mais aussi optimiser la durée de vie des batteries, les véhicules électriques sont équipés d’un système électronique appelé BMS : « Battery management System » chargé de la surveillance et de la gestion des grandeurs électriques et thermiques. Le BMS d’une batterie est un des éléments les plus importants d’une voiture électrique.
L’importance d’une surveillance constante d’une batterie de voiture électrique, grâce au BMS :
Une batterie de voiture électrique est conçue pour fonctionner dans un environnement maîtrisé : températures modérées, plages de tension et d’intensité restreintes. Toutefois, la batterie est parfois sollicitée dans des conditions sortant d’un usage classique, ce qui accélère sa détérioration. Pour prévenir ces effets de dégradation, le BMS est chargé en temps réel de récolter l’ensemble des informations concernant la batterie et de les analyser pour mettre en place les solutions adéquates.
Pour illustrer ce rôle, prenons l’exemple d’une surchauffe de la batterie qui peut apparaitre lorsque la température extérieure est élevée. A l’aide de capteurs de température disposés sur la batterie, le BMS est en mesure de détecter cette surchauffe et de commander l’activation des ventilateurs de refroidissement. Si malgré tout, la température devient excessive, il peut alors décider de couper la batterie pour ne pas l’endommager davantage.
De la même façon, grâce aux instruments installés sur la batterie de traction, il pourra surveiller le respect des seuils de tensions qui garantissent la pérennité des composants chimiques, et assurent ainsi un vieillissement de la batterie optimal. Ce contrôle permanent représente un défi électronique en termes de synchronisation mais surtout de précision des mesures, car une erreur peut menacer la sécurité du véhicule et de ses occupants.
« L’équilibrage des cellules », une gestion de la batterie de traction essentielle que gère le BMS :
Un autre rôle du BMS déterminant dans la longévité d’une batterie est le processus appelé : « Équilibrage des cellules ». Comme nous l’avons rappelé en introduction, la batterie de traction n’est pas un bloc uni mais un ensemble de petites batteries individuelles, appelées cellules, mises côte à côte et branchées entre elles. Dans la réalité, les performances des cellules ne sont pas strictement identiques. Cela est dû notamment aux écarts dans la fabrication (les cellules d’un même pack ne proviennent pas toutes de la même ligne de production), et aux différentes contraintes subies par les cellules une fois assemblées dans le bloc batterie (par exemple avec une exposition différente à la chaleur). Ainsi, chaque cellule est différente et le BMS doit prendre en compte ces différences et les corriger lors de la charge. S’il ne le faisait pas, certaines cellules seraient correctement chargées, et d’autres ne le seraient que partiellement, ce qui limiterait l’énergie qui peut être prélevée ou retournée à la batterie. De plus, cela entrainerait un vieillissement accéléré de certaines cellules, réduisant ainsi la durée de vie du pack batterie.
Pour détecter ces différences, le BMS compare périodiquement la tension et la température de chaque cellule par rapport au reste du bloc. Si l’écart est trop important, il adapte le comportement de la charge de cette cellule en conséquence et lui délivre plus ou moins longtemps du courant.
Le BMS : un logiciel permettant de déterminer de nouveaux indicateurs
S’il est facile de récupérer certaines informations par le biais de capteurs comme la température, la tension ou l’intensité, d’autres, tout aussi essentielles pour le bon fonctionnement du véhicule, ne sont pas directement mesurables. Le BMS a donc aussi un rôle de calculateur et doit, grâce aux informations qu’il récupère :
- Estimer l’état de charge (SOC : « State of charge ») de la batterie. Cette donnée peut être assimilable à une jauge de carburant
- Prédire l’autonomie de la voiture électrique
L’état de charge, appelé SOC, est une information capitale : il correspond à la quantité d’énergie électrique disponible dans la batterie. Cette énergie, que l’on appelle capacité, est un paramètre directement corrélé avec l’autonomie de la voiture : plus la batterie stocke de l’énergie, plus l’autonomie est grande. Mais de nos jours, il n’existe aucun protocole qui permette la mesure directe et exacte de cette capacité. Dans ce contexte, le BMS ne peut fournir qu’une estimation plus ou moins précise en fonction de la méthode de calcul.
Parmi les deux protocoles les plus utilisés pour estimer l’énergie disponible, on retrouve :
- Mesure OCV (open circuit voltage) : Toutes les batteries ont un point en commun : la tension diminue avec la décharge. La tension maximale correspond à une batterie pleine charge et la tension minimale à une batterie vide. Une mesure de tension permet donc d’estimer le SOC associé. Cette méthode simple offre des résultats remarquables pour certaines chimies de batteries comme les batteries au plomb. Pour les batteries au lithium, utilisées massivement dans l’industrie automobile, on observe une variation de tension très faible et très plate ce qui rend difficile la corrélation avec le bon SOC. (Pour en savoir plus sur la chimie des batteries, se référer au dossier : Les batteries de voitures électriques sur Automobile Propre).
- Le comptage coulométrique : Le BMS enregistre une capacité référence correspondant à une batterie entièrement chargée. Puis il compte la quantité de courant qui entre / sort de la batterie et l’additionne/ le soustrait à la capacité référence. On peut comparer la batterie à un réservoir d’eau : si l’on connait la capacité d’eau que peut contenir le réservoir plein, il suffit de compter les litres d’eau qui rentrent/sortent pour connaitre en temps réel le niveau d’eau. Cette méthode est simple à implémenter dans un BMS et offre des résultats remarquables. Le défi sur cette méthode est de s’assurer de la véracité de la valeur utilisée comme référence : une petite erreur vient fausser l’ensemble de l’estimation.
Il existe de nombreuses autres méthodes, plus complexes à mettre en place mais qui offrent des résultats d’estimation d’une très grande fiabilité.
Dès lors que le BMS est en mesure d’estimer le SOC, il peut estimer l’autonomie du véhicule, adapter le comportement de la batterie : de façon analogue à un ordinateur, il peut décider, lorsque la batterie est très déchargée, de basculer sur un mode éco qui diminue les performances globales mais prolonge la durée d’utilisation de la batterie.
Le BMS, conclusion :
Présenté comme le logiciel en charge du pilotage des batteries de voitures électriques, nous avons vu les trois principaux rôles d’un BMS : la surveillance et la gestion de la batterie pour prolonger sa durée de vie, ainsi que l’estimation de paramètres nécessaires pour le bon fonctionnement d’un véhicule électrique. Si son action est indispensable, les seuils de protections, les solutions proposées, et les méthodes de calcul sont différents d’un véhicule à l’autre. Chaque constructeur réalise son propre compromis entre coût, faisabilité et précision.
Certaines marques proposent à leurs clients de reprogrammer le BMS au cours de la vie d’un véhicule. En effet, un BMS est initialement paramétré pour un véhicule neuf et même si la batterie de traction vieillit, il ne modifie pas son comportement en conséquence. La reprogrammation consiste à adapter et optimiser sa gestion par rapport à l’état actuel de la batterie. Ainsi, sans modifier l’état de dégradation du véhicule, cela permet de prolonger l’autonomie et de ralentir vieillissement de la batterie. Certains laboratoires développent actuellement un BMS capable de s’adapter intelligemment et de façon autonome au vieillissement de la batterie.
Sources :
How to monitor a battery, Battery University
Développement d’un système de gestion de batterie lithium-ion à destination de véhicules ”mild hybrid” : détermination des indicateurs d’état (SoC, SoH et SoF). Écrit par Aurélien Lièvre.
Battery Managment System, Electropaedia
Mesure d’un SOC d’une batterie Lithium Lion, PowerTech Systems