Fonctionnement

L’utilisation de cellules au lithium dans une batterie demande une surveillance accrue lors de la recharge et de la décharge. L’utilisation hors de la zone d’opération peut culminer par l’endommagement des composantes internes, du vieillissement prématuré ou la destruction de la cellule. Pour éviter de sortir de sa zone d’opération, un circuit de surveillance doit être introduit dans la batterie afin de mesurer les paramètres critiques de la batterie et prendre les actions nécessaires pour qu’elle reste à l’intérieur de sa zone d’opération [26]. Le système de gestion de batterie a pour fonctions de :

— Mesurer la tension de chaque cellules ;

— Mesurer le courant et la température de la batterie ; — Équilibrer la tension des cellules ;

— Effectuer des estimations tel que l’état de charge et l’état de santé ; — Signaler à l’opérateur ou à une unité de contrôle en cas de problèmes ; — Contrôler le cycle de charge ;

— Gérer le refroidissement ;

Figure 2.8 – Fonction du BMS [21]

Les BMS disponibles sur le marché ne possèdent pas toutes ces fonctionnalités. Les BMS bas de gamme ne feront qu’effectuer des mesures alors que ceux plus haut de gamme permet- tront d’effectuer des estimations complexes. Ces estimations permettent de gérer la charge et l’équilibrage de manière plus optimale que seulement lire la tension des cellules. Cela nous permet aussi de mieux protéger la batterie car une estimation précise de l’état de charge nous permet de ne pas charger ou décharger au delà des limites de la batterie.

A. Surveillance des cellules

La surveillance de la tension et du courant des cellules sont les tâches principales du système de gestion de batterie. Ces données sont nécessaires pour deux fonctions, assurer les respects des plages d’utilisation prescrite par le manufacturier et fournir ces données aux fonctions d’estimation. La tension minimale et maximale ainsi que le courant maximal doivent être

respectés afin de limiter les défaillances possibles des cellules et prolonger leur durée de vie. Un exemple général des plages à respecter est décrit dans le Tableau 2.1.

B. Gestion thermique

La gestion thermique de la batterie se divise en deux fonctions spécifiques, la surveillance de la température des cellules et le contrôle de la température de la batterie, s’il y a lieu. Le système de gestion de batterie doit s’assurer que la température de la batterie respect les plages énumérer dans la section 2.1.6. Selon la température lue, le BMS peut envoyer des messages au système de gestion de véhicule (VCU) afin de prendre des actions pour réduire l’échauffement des cellules. Les actions peuvent aller de la réduction progressive de la demande en puissance du véhicule à l’arrêt complet. Dans le cas où un système de refroidissement est intégré dans le véhicule, le BMS aura pour tâche de contrôler l’activation de système afin de réduire la température. Certains petits véhicules tels que les motos utilisent du refroidissement passif à convection naturelle ou forcée avec un ventilateur. Les véhicules plus spacieux ont souvent recours à des systèmes au liquide qui permettent à la fois de refroidir ou de chauffer la batterie en condition hivernale.

C. Contrôle de la charge

Le BMS a aussi comme tâche de gérer la charge de la batterie. Il s’assure que le courant régulé par le chargeur respecte les limites, qu’aucune cellule ne dépassera la limite maximale de tension et qu’il n’y pas d’échauffement excessif de la batterie. Il est possible d’uniquement se fier à la tension des cellules pour effectuer la charge, mais la tension lue aux bornes des cellules est erronée par la chute de tension causée par la résistance interne. Plus le courant sera élevé, plus l’erreur entre la tension circuit ouvert et la tension aux bornes sera grande. Un contrôle de la charge basé sur l’état de charge est beaucoup plus efficace et permet de connaître l’énergie qui a été fournie à la batterie. Le courant de charge peut être aussi progressivement diminué afin de terminer la charge en minimisant les pertes résistives et sans jamais appliquer une tension plus élevée aux bornes de la batterie que la tension maximale prescrite. En cas de problème ou lorsque la charge est terminée, il avertira le chargeur de se mettre hors fonction et ouvrira le circuit de charge.

D. Méthode d’équilibrage

Une fonction importante du système de gestion de batterie est l’équilibrage de la tension des cellules dans une batterie.Toutes les cellules n’ont pas les mêmes caractéristiques internes et elles ne vont pas se recharger au même rythme. Pour obtenir le plein potentiel de la batterie, chaque cellule doit être rechargée à la même tension. L’équilibrage se fait généralement de deux façons, soit lorsque l’état de charge est bas ou que l’état de charge est haut. La raison est que si l’on regarde bien la courbe d’état de charge vs la tension, Figure 2.9, on remarque qu’à ces deux endroits sur la courbe la variation de tension selon le pourcentage est plus élevée. Ceci signifie qu’à ces endroits, pour ajuster les tensions au même niveau, l’énergie dissipée par millivolt sera moindre que dans la plage centrale d’état de charge. Par contre, l’équilibrage dans ces plages est souvent fait seul, sans recharge simultanément, ce qui aug- mente considérablement le temps de recharge. Une approche prédictive tenant compte de l’état de charge de chacune des cellules pourrait permettre de charger et d’équilibrer de façon simultanée afin de que toutes les cellules convergent vers la même tension en fin de charge serait l’idéal. Voici les deux méthodes d’équilibrage existantes pour transférer l’énergie des cellules.

D.1 Équilibrage passif L’équilibrage passif est la méthode la plus simple et la moins coûteuse en composants à implémenter. Cette technique consiste à éliminer l’énergie excéden- taire de la cellule la plus élevée et de la dissipée en chaleur à l’aide de résistance. La chaleur générée doit être évacuée du circuit ou de la batterie si ce circuit se trouve à proximité. Dans le deuxième cas, une mauvaise gestion de la chaleur peut augmenter la température de la batterie et ultimement augmenter la température au-delà de la plage d’opération des cellules. Le circuit de puissance nécessaire à cette technique est composé de transistors et de résistance de puissance.

D.2 Équilibrage actif L’équilibrage actif consiste à transférer l’énergie excédentaire d’une cellule vers les cellules avoisinantes. Pour obtenir ce résultat, le système de gestion de batterie nécessite différents types de circuits complexes de transfert d’énergie contenant de multiples transistors, condensateur, inductance, transformateur, etc. Le coût en pièces des

circuits est plus élevé que la méthode passive par contre l’efficacité énergétique est beaucoup plus élevée, car un fort pourcentage de l’énergie est conservé lors de l’équilibrage.