Équilibrage des cellules d’une batterie de VE : méthodes passives et actives

L’équilibrage ajuste la charge des groupes de cellules montés en série afin que leurs différences ne limitent pas inutilement l’énergie utilisable de la batterie. Les systèmes passifs retirent de la charge à certains groupes ; les systèmes actifs transfèrent de l’énergie entre différentes parties du pack.

Pourquoi les écarts de charge limitent un pack

Un groupe de cellules correspond à une position surveillée dans la chaîne série de la batterie : une cellule seule ou plusieurs cellules montées en parallèle. Le chapitre battery pack explique comment ces connexions déterminent la tension et la capacité du pack.

Le système de gestion de la batterie (BMS) doit maintenir chaque groupe dans ses limites de fonctionnement. Pendant la recharge, un groupe peut atteindre sa limite supérieure de tension alors que les autres peuvent encore recevoir de l’énergie. Pendant la décharge, un groupe peut atteindre sa limite inférieure alors que les autres contiennent encore de l’énergie. Dans les deux cas, cela limite ce que le pack peut fournir. L’équilibrage aide à récupérer l’énergie utilisable perdue à cause des écarts de charge. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Trois distinctions permettent de comprendre ce que l’équilibrage peut accomplir :

• Un écart d’état de charge (SOC) signifie que les groupes contiennent des quantités de charge différentes par rapport à leurs capacités respectives.
• Un écart de capacité signifie qu’un groupe peut stocker moins de charge qu’un autre.
• Une différence de tension mesurée peut aussi provenir de la résistance, de la température ou d’une erreur de mesure.

Une autodécharge inégale et de faibles différences de consommation électrique sur chaque groupe peuvent créer progressivement un écart de charge. Les différences de capacité initiale et de vieillissement modifient la vitesse à laquelle chaque groupe parcourt sa plage de SOC. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Prenons un exemple simplifié avec deux groupes de 90 Ah et 100 Ah. Tous deux peuvent être complètement chargés au départ, mais après avoir fourni chacun 90 Ah, le plus petit est vide tandis que le plus grand contient encore 10 Ah. Les aligner en haut de la fenêtre de charge ne restaure pas la capacité manquante du plus petit. Cet exemple ignore les autres limites susceptibles d’interrompre la décharge plus tôt. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Équilibrage passif

Un circuit d’équilibrage passif relie une résistance aux bornes d’un groupe sélectionné au moyen d’un interrupteur électronique. Le courant dans cette branche transforme l’énergie électrique en chaleur. Le BMS commande les branches activées et leur durée de fonctionnement. Analog Devices — Passive Battery Cell Balancing

Pendant la recharge, le courant arrivant à cette position de la chaîne série se répartit entre les cellules et la branche d’équilibrage :

Courant net de charge des cellules = courant de charge du pack − courant de dérivation

Par exemple, si le pack reçoit 1 A et qu’une branche sélectionnée prélève 0,1 A, les cellules de ce groupe reçoivent 0,9 A. Un groupe par ailleurs identique dont la branche d’équilibrage est désactivée reçoit la totalité de 1 A et accumule de la charge plus rapidement. Ces courants sont illustratifs et supposent que les autres petites consommations électriques sont négligeables.

La même branche peut continuer à retirer de la charge après l’arrêt du chargeur ; le groupe sélectionné fournit alors lui-même le courant dans la résistance. L’Orion Jr. 2 décrit plus bas permet ce fonctionnement tant que le BMS reste alimenté en mode CHARGE. Ewert Energy Systems — Orion Jr. 2 BMS operation manual

Un faible courant de dérivation ne réduit que légèrement le courant entrant dans un groupe pendant une recharge à forte intensité. La recharge doit toujours ralentir ou s’arrêter lorsqu’un groupe atteint sa limite. L’équilibrage complète donc la commande de charge sans la remplacer.

Le circuit est relativement simple et peut corriger une dérive progressive de charge entre des groupes aux capacités proches. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age En contrepartie, l’énergie retirée devient de la chaleur. L’équilibrage passif ne dispose pas non plus d’un chemin de transfert permettant d’alimenter un groupe peu chargé à partir des autres pendant la décharge. Analog Devices — Passive Battery Cell Balancing

Courant et durée d’équilibrage

Le point de départ utile est la quantité de charge à retirer, mesurée en ampères-heures (Ah) :

Durée d’équilibrage (h) = écart de charge (Ah) ÷ courant moyen d’équilibrage (A)

Pour deux groupes par ailleurs identiques de 100 Ah, un écart d’un point de pourcentage de SOC représente 1 Ah. Supprimer cet écart avec un courant continu de 0,1 A prend 10 heures. Si cette branche ne fonctionne que pendant la moitié du temps écoulé au même courant, son courant moyen est de 0,05 A et la correction prend 20 heures. Les deux calculs sont simplifiés et supposent l’absence de dérive supplémentaire et un groupe cible inchangé.

Le contrôleur automobile de cellules MC33775A de NXP permet un équilibrage passif jusqu’à 300 mA par canal. Ses commandes comprennent des temporisations individuelles et des seuils de tension. Il suspend automatiquement l’équilibrage pendant les mesures et l’interrompt si les résistances d’équilibrage surchauffent. Les 300 mA constituent une limite du composant ; le circuit installé et le logiciel déterminent le courant et la durée de fonctionnement dans le véhicule. NXP — MC33775A product short data sheet, revision 2

Le courant réel dépend aussi de la tension de la cellule et de la résistance du chemin d’équilibrage. Le guide de conception BQ7961x-Q1 de TI explique le choix des résistances et la prise en compte des contraintes thermiques ; son mode automatique alterne les canaux impairs et pairs. Texas Instruments — BQ7961x-Q1 automotive BMS design recommendations, revision B Les pauses de mesure, les interruptions thermiques et le séquencement des canaux réduisent le temps pendant lequel une branche peut équilibrer. Cela explique pourquoi le courant moyen peut être inférieur au courant lorsque la branche est active ; les 50% de temps de fonctionnement dans l’exemple de 20 heures sont une hypothèse illustrative.

Équilibrage actif

L’équilibrage actif utilise un circuit de conversion de puissance pour déplacer de l’énergie entre des groupes ou entre un groupe et une partie plus importante du pack. Le circuit peut stocker temporairement l’énergie dans un condensateur ou un composant magnétique avant de la restituer ailleurs. Son architecture détermine quels groupes peuvent échanger de l’énergie. Ashraf et al. — Review of Cell-Balancing Schemes for Electric Vehicle Battery Management Systems

Une conception permettant le transfert pendant la décharge peut alimenter un groupe approchant de sa limite inférieure à partir de groupes qui contiennent encore de l’énergie. Cela peut prolonger la décharge utile du pack même si les capacités des groupes diffèrent. Pendant la recharge, un circuit adapté peut retirer de l’énergie à un groupe approchant de sa limite supérieure. Analog Devices — Active Battery Cell Balancing

Le courant de transfert et le temps disponible pour l’équilibrage limitent ce bénéfice, comme le relève ADI. Analog Devices — Active Battery Cell Balancing En pratique, un circuit de transfert peut fournir trop peu d’énergie pour maintenir un groupe limitant au-dessus de sa limite inférieure lors d’une forte demande de puissance. La redistribution d’énergie améliore l’utilisation du pack ; elle ne change pas la capacité de stockage de chaque groupe.

La commutation et la conversion d’énergie entraînent des pertes, et le matériel supplémentaire augmente le coût, l’encombrement et la complexité de commande. Ashraf et al. — Review of Cell-Balancing Schemes for Electric Vehicle Battery Management Systems Le choix technique consiste à déterminer si l’énergie récupérée et la vitesse d’équilibrage justifient ces ajouts pour le pack concerné.

Comment les mesures de tension guident l’équilibrage

La différence entre la tension de groupe la plus haute et la plus basse est souvent appelée dispersion de tension ou delta de tension des cellules. Son interprétation dépend du courant, de la température et du SOC.

Un groupe présentant une résistance interne plus élevée peut afficher une tension supérieure pendant la recharge et inférieure pendant la décharge, même sans écart de SOC. Lui retirer de la charge uniquement parce que sa tension est la plus élevée sous courant de charge peut aggraver le déséquilibre. Un courant plus faible et des conditions stabilisées réduisent ces effets et facilitent l’interprétation de la tension. Texas Instruments — Battery Cell Balancing: What to Balance and How

Les différences de température influencent aussi la tension. Un décalage de capteur ou un défaut du fil de mesure peut produire une différence apparente sans créer de déséquilibre physique de charge. Le chapitre battery management system explique comment distinguer les défauts de mesure des défauts de cellule.

Le lithium-fer-phosphate (LFP) pose une difficulté particulière : sa tension varie peu sur une grande partie de la plage de SOC. Des niveaux de charge différents peuvent donc produire des tensions similaires. L’hystérésis, qui fait dépendre la tension de l’historique récent de charge ou de décharge, complique encore la comparaison. Les parties les plus pentues de la courbe de tension donnent davantage d’informations sur les écarts de charge. Analog Devices — Considerations for Fuel Gauging Lithium-Iron-Phosphate Batteries

La tension, les mesures de courant et les modèles de batterie contribuent à l’estimation du SOC. L’équilibrage modifie physiquement la charge contenue dans certains groupes ; l’étalonnage du SOC corrige l’estimation du BMS. Une variation du pourcentage affiché ne démontre pas à elle seule qu’une redistribution de charge a eu lieu.

Quand l’équilibrage fonctionne et ce que le conducteur peut en déduire

La stratégie de commande détermine quand l’équilibrage est activé ou suspendu. Les conditions peuvent inclure la tension des groupes, leur écart mesuré, la température et l’état de fonctionnement du véhicule.

L’équilibrage en haut de charge aligne les groupes près de la limite supérieure de la fenêtre de charge ; l’équilibrage en bas de charge les aligne près de la limite inférieure. Ces termes décrivent le point d’alignement. Passif et actif décrivent le mécanisme qui modifie la répartition de la charge. Des groupes de capacités différentes peuvent être alignés à une extrémité et diverger à mesure que le pack se rapproche de l’autre.

L’Orion Jr. 2 est un exemple documenté : ce BMS est destiné aux packs jusqu’à 48 V nominaux dans les véhicules légers et les applications stationnaires. Son manuel de 2018 décrit des seuils d’équilibrage réglables et recommande l’équilibrage en haut de charge. Un équilibrage à mi-charge ou en bas de charge peut nécessiter un contrôleur externe indiquant quand l’équilibrage doit fonctionner. Ewert Energy Systems — Orion Jr. 2 BMS operation manual

L’affichage de 100% marque le haut de la fenêtre de charge présentée au conducteur, plutôt que la pleine charge absolue de chaque cellule, comme expliqué dans battery buffers and the operating window. Il ne révèle pas si les conditions requises pour l’équilibrage étaient remplies ni combien de temps celui-ci a fonctionné. Suivez les consignes de recharge du véhicule concerné plutôt qu’une routine universelle de charge complète ou de décharge profonde. Le chapitre battery charging explique les autres facteurs qui déterminent la vitesse de recharge et sa diminution progressive.

Si un groupe se déséquilibre régulièrement, le diagnostic doit déterminer si la cause est une dérive de charge, une capacité réduite, la résistance, la température ou un problème de mesure. Un écart de tension est surtout utile lorsqu’il est accompagné des conditions et de l’historique qui l’ont produit. La perte permanente de capacité est traitée dans battery degradation.