Système de gestion de la batterie

Le système de gestion de la batterie (BMS) d’un véhicule électrique constitue la couche électronique et logicielle qui maintient la batterie de traction dans ses limites de fonctionnement autorisées. Il mesure le pack, estime les conditions qui ne peuvent pas être relevées directement et contrôle sa connexion au véhicule. Il transmet au chargeur, à l’onduleur et au système de gestion thermique les limites de charge, de freinage régénératif et de puissance motrice ; ces équipements assurent la conversion de l’énergie et la régulation de la température.

Ce que le BMS mesure, estime et contrôle

Une batterie haute tension peut contenir des centaines, voire des milliers de cellules physiques. Les cellules raccordées en parallèle partagent la même tension aux bornes ; le BMS surveille donc normalement chaque groupe en parallèle comme un seul point de tension. Un pack décrit comme 108s4p, par exemple, comporte généralement 108 tensions de groupes en série surveillées, et non 432 mesures indépendantes de tension de cellule.

Les principales mesures directes comprennent généralement :

Tension de chaque groupe de cellules surveillé
Tension totale du pack et tensions aux points clés autour des contacteurs
Courant entrant dans le pack ou en sortant
Températures de certaines cellules, de certains modules, plaques de refroidissement, jeux de barres et composants électriques
Isolation électrique entre le système haute tension et le châssis du véhicule
État de la boucle de sécurité haute tension, des contacteurs, du fusible et du circuit de précharge

La seule tension du pack ne suffit pas. Deux groupes de cellules peuvent s’écarter dans des directions opposées tandis que leur tension cumulée paraît toujours normale. Le groupe présentant la tension la plus élevée peut mettre fin à une charge, et celui dont la tension est la plus basse peut limiter la décharge, même si la moyenne du pack semble acceptable.

Plusieurs valeurs utilisées par le conducteur et les outils de diagnostic ne proviennent pas directement de capteurs. Le BMS les estime à partir de la tension, du courant, de la température, du temps, de modèles de batterie et de l’historique enregistré. Ces estimations comprennent :

État de charge (SOC)
État d’énergie (SOE)
État de puissance (SOP)
État de santé (SOH)
Capacité utilisable et résistance interne
Courant maximal de charge et de décharge autorisé

Le BMS agit ensuite à partir de ces informations. Il peut commander les contacteurs du pack et les circuits d’équilibrage, gérer la séquence de précharge, demander un chauffage ou un refroidissement et communiquer aux autres contrôleurs les limites de charge, de décharge et de puissance régénérative. Les plateformes BMS automobiles réunissent ainsi la surveillance des cellules, la mesure de la tension et du courant au niveau du pack, le contrôle de l’isolation, la commande des contacteurs et les fonctions de boucle de sécurité haute tension. (Texas Instruments)

Organisation matérielle du BMS

Un BMS moderne est réparti dans la batterie plutôt que regroupé sur une seule carte électronique. La désignation des composants varie, mais de nombreux systèmes répartissent les tâches entre des unités de surveillance des cellules, un contrôleur central de batterie et un boîtier de jonction de batterie. L’architecture de référence 800-volts de NXP emploie les termes CMU, BMU et BJB pour ces trois niveaux. (NXP)

Unités de surveillance des cellules

Une unité de surveillance des cellules (Cell-Monitoring Unit, CMU) se trouve à proximité d’un groupe de cellules ou de modules. Ses circuits frontaux analogiques mesurent les tensions des groupes de cellules et les entrées des capteurs de température. Ils peuvent également assurer un équilibrage passif et surveiller les connexions ou d’autres capteurs locaux.

Plusieurs CMU peuvent être reliées en chaîne isolée, en anneau, par CAN FD ou par un autre réseau de communication automobile. Les mesures doivent parvenir de manière fiable malgré le bruit électrique et les importantes différences de tension entre les sections du pack.

Unité de gestion de la batterie

L’unité de gestion de la batterie (Battery-Management Unit, BMU) est le contrôleur central. Elle recueille les mesures, vérifie leur plausibilité, exécute les algorithmes d’estimation d’état, calcule les limites de fonctionnement, enregistre les informations de diagnostic et échange des données avec le contrôleur du véhicule, le chargeur, l’onduleur et le contrôleur thermique.

Boîtier de jonction de la batterie

Le boîtier de jonction de la batterie (Battery Junction Box, BJB) regroupe les capteurs au niveau du pack et les dispositifs de commutation des courants élevés. Selon la conception, il peut contenir :

Contacteurs principaux positif et négatif
Contacteur et résistance de précharge
Capteurs de courant du pack et de haute tension
Fusible principal et, le cas échéant, dispositif de coupure pyrotechnique
Équipement de surveillance de l’isolation
Connexions haute tension vers l’onduleur, le système de charge et les autres consommateurs

La comparaison des tensions du côté batterie et du côté véhicule des contacteurs permet au contrôleur de vérifier que la commutation commandée a bien eu lieu. Les mesures de courant et de tension doivent aussi être synchronisées avec précision, car elles sont combinées pour calculer la puissance, la résistance, le SOC et le SOH. (Texas Instruments)

Communications filaires et sans fil

La plupart des packs batterie utilisent des communications filaires entre leurs unités de surveillance. Des liaisons redondantes ou en anneau peuvent permettre aux messages d’emprunter un autre chemin en cas de défaillance d’une connexion.

Un BMS sans fil remplace une partie de ce faisceau de signaux interne par un réseau radio dédié. Il peut réduire le nombre de connecteurs, simplifier le cheminement des câbles et faciliter l’assemblage, mais il ne supprime ni l’électronique de surveillance des cellules, ni les connexions de mesure de tension, ni les capteurs de température, les circuits d’équilibrage, les alimentations, les diagnostics ou la nécessité d’une communication fiable et sécurisée. Le matériel BMS automobile sans fil relie les dispositifs de surveillance des cellules au contrôleur BMS central ; il ne constitue pas une liaison sans fil avec les cellules elles-mêmes. (Analog Devices)

Connexion de la batterie haute tension

Éteindre un véhicule électrique ne met pas les cellules ni les jeux de barres internes hors tension. De grands interrupteurs électromécaniques appelés contacteurs déconnectent normalement les bornes positive et négative externes de la batterie du reste du véhicule.

Avant de fermer ces contacteurs, le BMS vérifie les tensions et températures pertinentes des cellules, la résistance d’isolation, l’état de la boucle de sécurité, les communications et les défauts mémorisés. Il procède ensuite à la précharge.

L’onduleur, le chargeur embarqué, le convertisseur DC-DC et les autres équipements haute tension contiennent des condensateurs. Raccorder directement à la batterie un condensateur déchargé provoquerait un fort courant d’appel susceptible de piquer ou de souder les surfaces des contacteurs et de solliciter excessivement les câbles, connecteurs et fusibles. Un circuit de précharge conventionnel commence par relier le bus haute tension du véhicule à travers une résistance. Lorsque la tension du bus est suffisamment proche de celle du pack, les contacteurs principaux peuvent se fermer et court-circuiter la résistance. (Texas Instruments)

Une séquence de démarrage simplifiée est la suivante :

Le système électrique basse tension réveille le BMS et les autres contrôleurs nécessaires.
Le BMS vérifie les conditions surveillées de la batterie et du système haute tension.
Le circuit de précharge et le contacteur principal requis sont fermés.
Le bus haute tension externe se charge à travers la résistance de précharge.
Le BMS compare la tension du pack à celle mesurée au-delà des contacteurs.
Lorsque l’écart se situe dans la plage autorisée, l’autre contacteur principal se ferme et le circuit de précharge s’ouvre.

L’ordre exact de commutation varie selon la conception. L’objectif reste toujours d’établir la connexion haute tension sans courant d’appel incontrôlé.

Surveillance de l’isolation et boucle de sécurité haute tension

Le circuit de traction est normalement isolé de la carrosserie du véhicule. Un contrôleur d’isolation mesure la résistance électrique entre le système haute tension et le châssis. Une baisse de l’isolation peut être due à un isolant endommagé, à une infiltration d’eau ou de liquide de refroidissement, à une contamination, à un problème de connecteur ou à un défaut dans la batterie, l’onduleur, le moteur, le chargeur ou le câblage haute tension.

La boucle de sécurité haute tension (High-Voltage Interlock Loop, HVIL) est un circuit de surveillance basse tension distinct qui traverse certains connecteurs, couvercles et composants haute tension. Une interruption de la boucle indique au véhicule qu’une partie du système haute tension est peut-être débranchée ou ouverte. Selon la situation, le véhicule peut interrompre la charge, ouvrir les contacteurs ou empêcher leur fermeture.

C’est aussi la raison pour laquelle une batterie 12-volts ou 48-volts faible peut immobiliser un véhicule électrique dont la batterie de traction contient encore beaucoup d’énergie. Le BMS, l’électronique des contrôleurs et les bobines des contacteurs ont besoin d’une alimentation basse tension avant que la batterie haute tension puisse être raccordée au véhicule.

Estimation de la charge, de l’énergie, de la puissance et de la santé

Le pourcentage de batterie, l’énergie restante, la puissance disponible et l’état de santé répondent à des questions différentes. Les considérer comme une seule valeur explique une grande part de la confusion qui entoure le diagnostic des batteries.

État de charge

L’état de charge (State of Charge, SOC) est le niveau de charge estimé dans la fenêtre de fonctionnement définie de la batterie. Le pourcentage présenté au conducteur correspond normalement à la fenêtre utilisable, et non à toute la plage électrochimique des cellules. Une capacité peut être réservée au-dessus des 100% affichés et sous les 0% affichés, comme l’explique Marge de batterie et capacité utilisable.

Le SOC ne peut pas être mesuré par un capteur unique. Le BMS combine plusieurs méthodes :

Le comptage de coulombs intègre le courant dans le temps pour suivre la charge qui entre dans la batterie et en sort.
La correction fondée sur la tension compare la tension à vide mesurée ou modélisée avec des données de référence propres à la chimie.
Les modèles de batterie prédisent la réponse en tension à partir du SOC, du courant, de la température, de la résistance, de l’historique récent et de paramètres liés au vieillissement.
Les algorithmes d’observation, notamment les variantes du filtre de Kalman, comparent les prédictions du modèle aux mesures et corrigent l’estimation.

Le comptage de coulombs réagit immédiatement aux flux d’énergie, mais un léger biais du capteur de courant s’accumule et produit avec le temps une erreur plus importante. La tension fournit un point de référence, mais la tension aux bornes varie aussi avec la charge, la température, la résistance, l’hystérésis et le temps écoulé depuis la charge ou la décharge. Les algorithmes de série combinent donc mesures et modèles au lieu de se fier à une seule méthode. (Analog Devices)

L’estimation du SOC est particulièrement délicate pour les cellules LFP au milieu de leur plage de fonctionnement, car leur courbe de tension à vide est relativement plate et affectée par l’hystérésis. Une faible erreur de tension peut alors correspondre à une erreur de SOC bien plus grande que dans une partie fortement inclinée de la courbe. Une estimation précise des cellules LFP repose donc largement sur une mesure exacte du courant, un modèle propre à cette chimie, la compensation de la température et des occasions de corriger l’estimation à des points de fonctionnement riches en informations. (ACS Energy Letters)

Le pourcentage affiché est généralement filtré pour ne pas bondir à chaque légère variation de l’estimation. Il peut néanmoins être corrigé après une longue période de repos, une charge presque complète, une décharge profonde, une forte variation de température ou l’apprentissage de nouvelles données de capacité. L’énergie n’est pas apparue ou disparue soudainement : c’est l’estimation qui a été recalibrée.

État d’énergie

L’état d’énergie (State of Energy, SOE) estime l’énergie utilisable restante, généralement en kWh. Il est lié au SOC, mais dépend aussi de la capacité utilisable, de la tension, de la température, des pertes et des conditions de décharge.

Deux packs à 50% de SOC ne disposent pas nécessairement de la même énergie restante. Même un seul et même pack peut rendre moins d’énergie immédiatement accessible lorsqu’il est très froid. L’autonomie prévisionnelle du véhicule ajoute des facteurs extérieurs au BMS, tels que la consommation récente, la vitesse, l’itinéraire, la météo et l’énergie utilisée dans l’habitacle.

État de puissance

L’état de puissance (State of Power, SOP) correspond à la puissance estimée que la batterie peut accepter ou fournir sans dépasser ses limites de tension, de courant, de SOC et de température pendant une durée définie. Les limites de charge et de décharge sont calculées séparément, et une limite de pointe de courte durée peut être très supérieure à une limite continue.

Le calcul tient compte de la réponse prévisible des groupes de cellules limitants, et pas uniquement de la moyenne du pack. Le SOC, la température, la résistance, la marge de tension des cellules, la durée et les limites de courant du pack jouent tous un rôle. Les modèles de puissance de batterie calculent donc des valeurs maximales différentes pour la charge et la décharge pendant une période de prévision donnée. (MathWorks)

État de santé

L’état de santé (State of Health, SOH) décrit l’évolution des capacités de la batterie par rapport à un état de référence, généralement celui de la batterie neuve. Il n’existe pas de définition universelle unique du SOH.

Un SOH fondé sur la capacité compare la capacité utilisable actuelle à la référence choisie pour la batterie neuve. Une évaluation fondée sur la puissance prend en compte la résistance et l’aptitude à charger ou à décharger au rythme requis. Un modèle de santé complet peut également exploiter le déséquilibre des cellules, l’autodécharge, l’énergie cumulée, l’exposition aux températures, l’historique des défauts et l’âge calendaire.

Une batterie peut conserver l’essentiel de sa capacité énergétique tout en perdant une partie de sa puissance de pointe à mesure que sa résistance augmente. Une autre peut perdre une capacité mesurable tout en répondant encore à toutes les exigences de performance du véhicule. C’est pourquoi les pourcentages de SOH provenant de constructeurs, d’applications de diagnostic et de procédures de garantie différents ne sont pas automatiquement comparables. Les méthodes de mesure et les effets à long terme sont présentés dans Dégradation de la batterie.

Comment le BMS contrôle la charge et la conduite

Le BMS calcule en permanence les limites maximales autorisées de charge et de décharge. Les autres contrôleurs doivent maintenir leurs demandes à l’intérieur de ces limites.

Pendant une recharge rapide en courant continu, le véhicule communique à la borne la tension et le courant autorisés pour la batterie. La borne peut fournir une puissance supérieure à celle demandée par la batterie. Le BMS peut réduire la demande pour les raisons suivantes :

Tension élevée d’un groupe de cellules
Température de batterie trop basse ou trop élevée
SOC élevé
Résistance accrue
Déséquilibre des cellules
Refroidissement insuffisant
Défaut d’un capteur ou de la communication

Lorsqu’un seul groupe atteint sa limite supérieure de tension, le courant de charge peut devoir diminuer, même si le SOC moyen du pack semble encore laisser de la marge. La courbe de charge complète dépend également des limites de tension et de courant de la borne, du matériel de conversion du véhicule et de la stratégie de charge du constructeur. Ces interactions sont détaillées dans Charge de la batterie et performances de recharge.

La limite de décharge fonctionne dans l’autre sens. À faible SOC, à une température extrême ou lorsque la résistance est élevée, le groupe présentant la tension la plus basse peut s’approcher de sa limite inférieure sous charge. Le BMS réduit alors la puissance disponible pour l’onduleur. Cela peut entraîner une accélération réduite ou un avertissement de puissance limitée, même si les moteurs eux-mêmes pourraient fournir davantage.

Le freinage régénératif constitue une opération de charge. Une batterie presque pleine, froide, chaude, déséquilibrée ou limitée en charge pour une autre raison ne peut pas accepter toute la puissance régénérative demandée. Le contrôleur de freinage réduit alors la régénération par les moteurs et fournit la décélération restante avec les freins à friction.

Les limites de température sont tout aussi importantes. Le BMS interprète les données des capteurs de la batterie et demande un chauffage ou un refroidissement ; les pompes, vannes, ventilateurs, réchauffeurs, circuits de réfrigérant et autres équipements thermiques exécutent la tâche. Une batterie assez chaude pour une conduite normale peut encore être trop froide pour accepter la puissance maximale de recharge rapide. La conception du système et les stratégies de préconditionnement sont expliquées dans Gestion thermique de la batterie.

Protection, gestion des défauts et sécurité fonctionnelle

Le BMS cherche à maintenir chaque partie surveillée de la batterie dans sa zone de fonctionnement autorisée. Il détecte les surtensions, les sous-tensions, les courants excessifs, les températures inadaptées, les écarts de température anormaux, les pertes d’isolation, les interruptions de la boucle HVIL, les déséquilibres de cellules, les divergences entre capteurs, les défauts de contacteurs et les pertes de communication.

La protection intervient généralement par étapes plutôt que par une déconnexion immédiate :

Enregistrer un événement de diagnostic ou renforcer la surveillance.
Demander un chauffage ou un refroidissement.
Réduire la puissance de régénération, de charge ou de traction.
Arrêter la charge ou ordonner à l’onduleur de supprimer la charge électrique.
Avertir le conducteur.
Ouvrir les contacteurs ou empêcher la reconnexion du système haute tension.

Ouvrir les contacteurs alors qu’un courant élevé circule peut créer des contraintes électriques supplémentaires. Lorsque les conditions le permettent, le véhicule réduit d’abord le courant, puis procède à la déconnexion. L’isolation immédiate est réservée aux défauts pour lesquels rester connecté présente le plus grand risque.

Le BMS doit aussi détecter les défauts de ses propres capteurs, communications et dispositifs de commutation. Il peut comparer des mesures redondantes, vérifier la plausibilité physique des relations entre tension et courant, confirmer qu’un mouvement de contacteur commandé a modifié la tension mesurée et employer des voies de protection indépendantes pour les défauts critiques. Le rapport ISO/TR 9968 applique le cadre ISO 26262 de sécurité fonctionnelle aux systèmes rechargeables de stockage d’énergie et inclut explicitement dans son périmètre le BMS, les cellules, les faisceaux et la connectique. (ISO)

Ce que le BMS ne peut pas empêcher

Le BMS peut réduire le courant, demander un refroidissement, interrompre la charge, déconnecter le circuit haute tension externe et enregistrer l’événement. Il ne peut pas supprimer l’énergie chimique déjà stockée dans les cellules.

Si un court-circuit interne a évolué jusqu’à un emballement thermique autoentretenu, l’ouverture des contacteurs arrête le courant externe, mais peut ne pas interrompre les réactions dans la cellule touchée. La conception des cellules, la qualité de fabrication, le refroidissement, les protections électriques, l’évacuation des gaz, les barrières du pack, la gestion de la pression, la structure de résistance aux chocs et la limitation de la propagation restent essentielles. Les travaux sur l’emballement thermique des cellules lithium-ion montrent que le dégagement de chaleur, la propagation interne et les matières éjectées dépendent de la géométrie de la cellule et du mécanisme à l’origine de la défaillance. (NREL)

Équilibrage, diagnostics et historique de la batterie

De faibles différences de capacité, de résistance, d’autodécharge et de température font progressivement diverger les groupes de cellules raccordés en série. Le BMS compare leur comportement et utilise des circuits d’équilibrage pour réduire les écarts de niveau de charge.

L’équilibrage peut aider les groupes à atteindre plus uniformément leurs limites supérieure et inférieure, ce qui rend utilisable une plus grande part de la capacité déjà présente dans le pack. Il ne peut ni réparer une cellule endommagée ni restaurer une capacité perdue. Les méthodes, le calendrier et les limites sont présentés dans Équilibrage des cellules.

Le BMS enregistre également des informations destinées à l’entretien et aux estimations à long terme. Selon le constructeur, elles peuvent comprendre :

Tensions minimales et maximales des groupes de cellules
Températures extrêmes et épisodes de surchauffe
Historique de charge, d’énergie et de durée de fonctionnement
Évolution estimée de la capacité et de la résistance
Défauts d’isolation, de contacteurs, de capteurs et de communication
Déséquilibre des cellules et autodécharge anormale
Codes de diagnostic et interruptions de charge

Toutes les valeurs internes ne sont pas accessibles par une interface de diagnostic générique. Une application tierce peut n’en présenter qu’une partie, et une valeur affichée peut être filtrée, mise à l’échelle ou interprétée différemment des données d’ingénierie ou de garantie du constructeur.

Ce que remarque le conducteur

La plupart des actions du BMS sont invisibles, mais ses décisions expliquent plusieurs comportements courants des véhicules électriques :

La puissance de recharge varie : la batterie peut demander moins de puissance que la borne ne peut en fournir en raison du SOC, de la température, de l’écart de tension, de la résistance ou d’une limite de protection.
Le freinage régénératif est réduit : la batterie ne dispose pas d’une marge suffisante pour accepter la puissance de charge, si bien que le véhicule sollicite davantage les freins à friction.
L’accélération est limitée : un SOC faible, une température inadaptée, une chute de tension ou un défaut a réduit la puissance de décharge autorisée.
Le pourcentage change après une période de repos ou une charge complète : l’algorithme de SOC a corrigé son estimation.
La recharge rapide s’améliore après le préconditionnement : des cellules plus chaudes présentent une résistance plus faible et peuvent souvent accepter un courant supérieur autorisé par le BMS.
Le véhicule ne passe pas en mode conduite : un problème d’alimentation basse tension, un défaut d’isolation, une boucle de sécurité interrompue, un défaut de contacteur ou une perte de communication avec le BMS peut empêcher la connexion du système haute tension.

Pour l’acheteur d’un véhicule électrique d’occasion, un pourcentage de SOH communiqué par le BMS n’est utile que si sa définition et sa méthode de mesure sont connues. Une évaluation sérieuse tient compte de l’énergie utilisable, de la puissance disponible, de l’équilibre des cellules, de l’historique de diagnostic, du comportement de recharge et de la méthode de garantie du constructeur — pas d’un chiffre isolé et inexpliqué.

Le BMS est donc bien plus qu’une jauge de batterie ou un interrupteur d’urgence. Ses mesures, ses modèles, son étalonnage et sa stratégie de protection déterminent la part des capacités physiques des cellules que le véhicule peut utiliser à chaque instant.