Équilibrage des cellules

L’équilibrage des cellules corrige les différences de niveau de charge entre les groupes de cellules connectés en série dans la batterie d’un véhicule électrique. Il empêche qu’un groupe n’interrompe trop tôt la recharge ou la décharge, mais ne peut ni restaurer une capacité perdue ni réparer une cellule dégradée.

Ce que l’équilibrage des cellules équilibre réellement

L’expression équilibrage des cellules peut laisser penser que le système de gestion de la batterie (BMS) mesure et ajuste séparément chaque cellule physique. Ce n’est pas toujours ainsi qu’une batterie de véhicule électrique est construite.

Les cellules connectées en parallèle partagent la même tension aux bornes et sont normalement surveillées comme un seul groupe. Dans une batterie 108s4p, par exemple, 108 groupes sont connectés en série et chacun contient quatre cellules en parallèle. Le pack comprend 432 cellules physiques, mais possède normalement 108 voies de mesure de tension et d’équilibrage.

Dans cet article, l’expression groupe de cellules désigne une position surveillée dans la chaîne en série. Il peut s’agir d’une grande cellule unique ou de plusieurs cellules en parallèle.

Chaque groupe connecté en série est traversé par le même courant du pack. Si un courant de 50 A circule dans la batterie, ces mêmes 50 A traversent chaque position en série. Les groupes peuvent néanmoins atteindre des états de charge différents, car leurs capacités, résistances, températures, autodécharges et vieillissements ne sont jamais parfaitement identiques.

L’équilibrage est la fonction du BMS qui réduit ces différences de niveau de charge. Le système plus général de surveillance, d’estimation et de protection est expliqué dans Système de gestion de la batterie.

Pourquoi les groupes de cellules se déséquilibrent

Les cellules sont sélectionnées et appariées pendant la fabrication de la batterie, mais deux cellules ne restent jamais parfaitement identiques pendant toute leur durée de service. De petites différences s’accumulent au fil des recharges, des trajets et des périodes de stationnement.

Les principales causes comprennent :

Les variations de fabrication et de capacité initiale
Des vitesses différentes de vieillissement et de perte de capacité
Des différences de résistance interne
Une température et un refroidissement inégaux
De légères différences d’autodécharge
Des courants de fuite dans l’électronique de mesure ou d’équilibrage
Une cellule faible au sein d’un groupe en parallèle
Des différences dans les barres omnibus, les bornes ou d’autres connexions électriques
Un décalage du capteur de tension ou un défaut du fil de mesure

Ces causes ne correspondent pas toutes au même problème.

Déséquilibre de l’état de charge

Un déséquilibre de l’état de charge signifie que deux groupes contiennent des quantités de charge différentes par rapport à leurs propres capacités utilisables. Si deux groupes par ailleurs identiques de 100 Ah contiennent 80 Ah et 78 Ah, leurs états de charge sont respectivement de 80 % et 78 %.

C’est ce type d’écart que l’équilibrage est destiné à corriger.

Déséquilibre de capacité

Un déséquilibre de capacité existe lorsqu’un groupe peut stocker moins de charge que les autres. Un groupe dégradé de 90 Ah et un groupe sain de 100 Ah peuvent tous deux se trouver à 100 % de SOC, mais le groupe dégradé contient moins de charge et atteindra normalement le niveau vide en premier.

L’équilibrage peut aligner les deux groupes à un point choisi de la fenêtre de fonctionnement. Il ne peut pas restaurer les 10 Ah manquants. Le groupe ayant la capacité la plus faible peut donc continuer à limiter l’énergie utilisable du pack après l’équilibrage.

Différences de résistance et de température

Un groupe à forte résistance présente une plus grande hausse de tension pendant la recharge et une plus forte chute de tension pendant l’accélération. Un groupe froid peut également subir une baisse de tension plus prononcée sous charge qu’un groupe chaud au même SOC.

Ces différences temporaires de tension ne correspondent pas nécessairement à des différences de charge. Un équilibrage fondé uniquement sur la tension instantanée alors que le courant est élevé peut retirer de la charge au mauvais groupe.

Autodécharge

Un groupe ayant une autodécharge plus élevée prend progressivement du retard lorsque le véhicule est stationné. L’équilibrage peut le réaligner à plusieurs reprises, mais une dérive persistante peut signaler un défaut de cellule, une contamination, une fuite dans le matériel de surveillance ou un autre problème nécessitant un diagnostic.

Les cellules connectées en série divergent naturellement en raison de différences de température, d’impédance, de charge et d’autodécharge. L’équilibrage passif est généralement suffisant pour de faibles écarts de SOC entre des cellules étroitement appariées. (Analog Devices)

Comment un groupe limite la batterie

Chaque groupe surveillé doit rester dans sa plage de tension et de température autorisée. La moyenne du pack ne permet pas de dépasser la limite d’un groupe individuel.

Pendant la recharge

La recharge est limitée par le groupe qui atteint en premier sa limite supérieure de tension. Imaginons quatre groupes approchant de la fin de la recharge :

Le groupe A atteint sa limite supérieure.
Le groupe B se trouve à 98 % de SOC.
Le groupe C se trouve à 97 % de SOC.
Le groupe D se trouve à 99 % de SOC.

Poursuivre avec le même courant surchargerait le groupe A, même si les autres groupes disposent encore d’une marge. Le BMS doit réduire le courant de recharge, équilibrer certains groupes, arrêter la recharge ou combiner ces actions. Une partie de la capacité des groupes B et C reste inutilisée.

Pendant la décharge

La décharge est limitée par le groupe qui atteint en premier sa limite inférieure. Les groupes plus robustes peuvent encore contenir de l’énergie, mais le véhicule ne peut pas continuer à prélever un courant sans restriction sans provoquer une décharge excessive du groupe limitant.

Le BMS réduit normalement la puissance de propulsion disponible avant que le groupe n’atteigne sa limite inférieure absolue. Si nécessaire, il finit par empêcher toute décharge de traction supplémentaire.

Le groupe qui limite la recharge n’est pas toujours celui qui limite la décharge. Un groupe à résistance plus élevée peut présenter la hausse la plus forte pendant la recharge et la chute la plus forte pendant l’accélération, tandis qu’un groupe de capacité inférieure peut atteindre en premier la fin de sa charge utilisable. C’est pourquoi un écart de tension doit être interprété dans son contexte plutôt qu’à l’aide d’un seuil unique.

Les équilibrages passif et actif cherchent tous deux à récupérer l’énergie utilisable qui resterait inaccessible à cause d’un écart de SOC. Aucune des deux méthodes ne modifie la capacité physique des cellules. (Analog Devices)

Comment le BMS identifie un déséquilibre

L’électronique de surveillance des cellules mesure la tension de chaque groupe en série. Le BMS évalue ensuite ces valeurs en tenant également compte de :

Le courant du pack
La température des cellules et des modules
La réponse de la tension pendant la recharge et la décharge
Le rétablissement de la tension après l’arrêt du courant
L’estimation du SOC du groupe
La capacité et la résistance apprises
L’activité d’équilibrage antérieure
L’autodécharge pendant le stationnement
Le diagnostic des capteurs et des communications

La différence entre les tensions mesurées la plus haute et la plus basse est souvent appelée delta de tension des cellules ou écart de tension. Elle est utile, mais ne constitue pas une mesure complète de l’équilibre.

La tension est plus facile à interpréter lorsque le courant est faible, que les températures sont similaires et que les effets temporaires de polarisation et de résistance se sont dissipés. Pendant une recharge rapide ou une forte accélération, l’écart mesuré peut être dominé par la résistance plutôt que par le SOC.

Un groupe qui semble avoir la tension la plus élevée pendant la recharge et la plus basse pendant la décharge peut présenter une résistance supérieure, et non un excès de charge stockée. Le BMS doit distinguer :

Un véritable écart de SOC
Une différence de capacité
Une différence de tension liée à la résistance
Un effet de température
Une autodécharge anormale
Un défaut de capteur, de fil de mesure ou de connexion

Des décisions d’équilibrage fondées uniquement sur la tension à fort courant peuvent aggraver l’écart. Les recommandations techniques sur l’équilibrage accordent donc une grande importance au courant, aux effets de la résistance et aux conditions proches de la fin de recharge, lorsque le courant a diminué. (Texas Instruments)

Pourquoi le LFP exige une attention particulière

Les cellules au lithium-fer-phosphate (LFP) présentent une courbe de tension à circuit ouvert relativement plate sur une grande partie de leur plage de SOC. Une variation significative de la charge stockée peut n’entraîner qu’un faible écart de tension, tandis que la température, l’hystérésis, l’erreur des capteurs et la circulation récente de courant peuvent produire des différences d’ampleur comparable.

La tension devient plus informative dans les parties plus pentues de la courbe LFP, mais un BMS précis nécessite toujours une intégration exacte du courant, une compensation de température, un modèle adapté à la chimie et des conditions de référence appropriées. Les recommandations d’Analog Devices sur l’estimation de la charge des batteries LFP décrivent la courbe de tension plate et l’hystérésis comme des difficultés centrales. (Analog Devices)

Cela ne rend pas le LFP impossible à équilibrer. Cela signifie qu’une règle simple telle que « décharger la tension la plus élevée » est moins fiable dans la partie médiane et plate de la plage de fonctionnement.

Équilibrage passif

L’équilibrage passif retire une petite quantité de charge à certains groupes dont le SOC est plus élevé. Un transistor connecte une résistance aux bornes du groupe et l’énergie électrique dérivée est transformée en chaleur.

Pendant la recharge, la décharge partielle d’un groupe plus élevé permet aux groupes plus faibles de le rattraper tandis que le pack continue de recevoir de l’énergie. Certains systèmes peuvent également décharger des groupes choisis lorsque le véhicule est stationné ou après la fin de la recharge.

L’équilibrage passif est courant, car le circuit est compact, relativement peu coûteux et facile à intégrer au matériel de surveillance des cellules. Ses principales limites sont :

L’énergie retirée est dissipée sous forme de chaleur.
Le courant d’équilibrage est faible par rapport au courant de recharge ou de traction.
De grands écarts peuvent nécessiter de nombreuses heures.
La température des résistances peut limiter le nombre de canaux actifs simultanément.
Il ne peut pas transférer d’énergie vers un groupe plus faible pendant la décharge.

Courant et durée d’équilibrage

Le matériel d’équilibrage automobile fonctionne couramment dans la plage des milliampères. Le contrôleur automobile de cellules MC33775A de NXP, par exemple, permet un équilibrage passif allant jusqu’à 300 mA par canal et comprend des contrôles de durée, de tension et de température. Il s’agit de la capacité d’un composant, et non d’une valeur applicable à tous les véhicules électriques. (NXP)

Une estimation simple de la durée est :

Durée d’équilibrage = différence de charge ÷ courant d’équilibrage

Une différence de SOC de 1 % dans un groupe de 100 Ah représente 1 Ah. Avec un courant d’équilibrage continu de 0.1 A, le retrait de cette différence prendrait environ 10 heures.

Dans la pratique, l’équilibrage peut prendre plus longtemps, car le BMS peut l’interrompre pour mesurer les tensions, limiter les canaux adjacents, réduire le rapport cyclique lorsque les composants chauffent, s’arrêter en dehors de la plage de température autorisée ou laisser le véhicule passer dans un état de moindre consommation. Les contrôleurs automobiles modernes intègrent ces minuteries et protections thermiques, car les résistances de décharge et les dispositifs de commutation doivent être protégés. (Texas Instruments)

L’équilibrage passif convient donc bien à la correction d’une dérive progressive entre des groupes par ailleurs similaires. Ce n’est pas une procédure de réparation rapide pour une batterie fortement déséquilibrée.

Équilibrage actif

L’équilibrage actif transfère la charge à l’aide de circuits d’électronique de puissance au lieu de la dissiper volontairement dans des résistances. Selon la topologie, l’énergie peut se déplacer :

D’un groupe plus chargé vers un groupe moins chargé
Entre un groupe et une section plus importante du pack
Entre des modules ou des sections du pack
Du pack vers un groupe faiblement chargé

Le circuit de transfert peut utiliser des condensateurs, des inductances, des transformateurs, des matrices de commutation ou des convertisseurs CC-CC bidirectionnels.

L’équilibrage actif peut fonctionner avec un courant plus élevé et redistribuer l’énergie pendant la recharge, la décharge ou le repos. Pendant la décharge, par exemple, il peut transférer l’énergie des groupes plus robustes vers un groupe qui approche de sa limite inférieure, retardant ainsi le moment où ce groupe met fin à la décharge utilisable du pack.

La méthode n’est pas sans pertes. Les conducteurs, interrupteurs, composants magnétiques et circuits de commande consomment de l’énergie et produisent de la chaleur. Elle ajoute aussi :

Des coûts et des composants supplémentaires
De l’encombrement et de la masse
Une plus grande complexité de commande
Des contraintes de compatibilité électromagnétique
Davantage d’exigences de diagnostic et de sécurité fonctionnelle
Des modes de défaillance possibles supplémentaires

L’équilibrage actif peut rendre utilisable une plus grande partie de l’énergie présente dans le pack lorsque les capacités des groupes ont divergé, mais il ne restaure pas la capacité d’origine d’un groupe faible. Le même groupe peut redevenir le facteur limitant au cycle suivant. Analog Devices résume clairement la distinction centrale : l’équilibrage passif dissipe l’excès de charge, tandis que l’équilibrage actif le redistribue. (Analog Devices)

L’équilibrage actif n’est pas automatiquement la meilleure conception pour tous les véhicules électriques. L’équilibrage passif peut suffire lorsque les cellules sont étroitement appariées et que le BMS corrige régulièrement les petites dérives. L’équilibrage actif devient plus intéressant lorsque le gain d’énergie utilisable justifie le matériel supplémentaire et les efforts de validation. Les études des architectures d’équilibrage pour véhicules électriques aboutissent au même compromis général : les systèmes actifs permettent un transfert d’énergie plus souple, tandis que les systèmes passifs conservent des avantages de coût et de simplicité. (Energies)

Quand l’équilibrage se produit

Il n’existe pas de calendrier universel d’équilibrage. Selon la batterie et la stratégie du BMS, l’équilibrage peut avoir lieu :

Pendant une recharge CA
À l’approche de la fin de la recharge
Après l’arrêt de la recharge
Tant que le véhicule reste branché
Dans certaines conditions de stationnement ou de conduite
Lorsque la tension, le courant et la température satisfont aux critères programmés

De nombreux systèmes effectuent une grande partie de leur équilibrage à un SOC élevé. Le courant de recharge est plus faible, le BMS peut déterminer quel groupe atteint le premier la limite supérieure et le véhicule branché peut disposer d’assez de temps pour effectuer une correction lente.

Cette méthode est souvent appelée équilibrage par le haut, mais d’autres stratégies peuvent aligner les groupes près de la limite inférieure ou utiliser un équilibrage fondé sur un modèle dans une plage de fonctionnement plus large. La méthode choisie dépend de la chimie des cellules, de la conception du pack, de la fenêtre de fonctionnement et des priorités du constructeur.

Une recharge jusqu’à 100 % affiché ne prouve pas que l’équilibrage a eu lieu. Le BMS peut aussi exiger une température appropriée, un écart minimal de tension ou de SOC estimé, un faible courant, un temps supplémentaire en restant branché ou une autre condition propre au constructeur.

L’équilibrage et l’étalonnage du SOC sont différents

L’équilibrage modifie la répartition de la charge entre les groupes connectés en série. L’étalonnage du SOC modifie l’estimation du niveau de charge par le BMS.

Un point de référence haut ou bas peut aider le BMS à réétalonner le SOC, et une longue recharge peut également laisser du temps pour l’équilibrage, mais les deux processus restent distincts. Un véhicule peut mettre à jour le pourcentage affiché sans transférer une quantité significative de charge entre les groupes. Il peut aussi équilibrer les groupes sans produire de changement visible au tableau de bord.

Les conducteurs doivent donc suivre les recommandations de recharge propres à leur véhicule plutôt qu’une règle générale demandant de « recharger à 100 % pour l’équilibrage ». La chimie, la stratégie du BMS, le logiciel, la durée de stationnement et les besoins quotidiens d’autonomie influencent tous la routine appropriée. Les performances de recharge et la baisse de puissance à SOC élevé sont traitées séparément dans Recharge de la batterie et performances de recharge.

Ce que l’équilibrage ne peut pas réparer

L’équilibrage des cellules ne peut pas :

Restaurer la capacité perdue par dégradation
Inverser une augmentation permanente de la résistance
Réparer un court-circuit interne
Arrêter une autodécharge anormale
Réparer une barre omnibus, une borne ou un fil de mesure endommagés
Corriger un refroidissement insuffisant
Réparer un capteur de tension ou de température imprécis
Faire vieillir tous les groupes au même rythme
Récupérer le lithium ou les matériaux actifs déjà perdus dans une cellule

Si un groupe se désaligne de nouveau peu après l’équilibrage, la batterie peut présenter un problème sous-jacent de capacité, de résistance, d’autodécharge, de température, de connexion ou de mesure. L’équilibrage peut aligner temporairement le groupe, mais un déséquilibre persistant exige un diagnostic.

La plupart des véhicules électriques n’affichent pas directement l’activité d’équilibrage. Les symptômes indirects possibles comprennent :

Une baisse de la puissance de recharge ou un arrêt plus précoce que prévu
Une diminution de l’énergie utilisable
Une correction soudaine du SOC affiché
Une baisse plus rapide du SOC à l’approche du niveau vide
Une réduction de la puissance de propulsion à faible SOC
Un écart de tension important signalé
Le maintien du véhicule en état d’éveil après la recharge
Un avertissement relatif à la batterie ou à la chaîne de traction

Aucun de ces symptômes ne prouve un déséquilibre. La température, la baisse normale de la puissance de recharge, une erreur d’estimation du SOC, les limites de la borne, la dégradation générale, des défauts de refroidissement et la stratégie logicielle peuvent produire un comportement similaire.

Un diagnostic fiable compare la tension, la température, la résistance, l’autodécharge et l’historique des groupes dans des conditions contrôlées. Une seule capture d’écran d’un delta de tension ou une seule session de recharge ne suffit pas. La perte permanente de capacité et les tests de santé de la batterie sont expliqués dans Dégradation de la batterie.

L’équilibrage des cellules est le plus efficace lorsqu’il corrige discrètement de petits écarts avant que le conducteur ne les remarque. Lorsqu’un groupe est devenu assez faible pour limiter le pack de manière répétée, l’équilibrage peut gérer la conséquence, mais ne peut pas en supprimer la cause.