Cet article explique la nécessité d'un système de gestion de batterie dans un véhicule électrique, décrit une architecture typique et examine les principaux composants utilisés pour détecter, surveiller et gérer l'état général d'une batterie de véhicule électrique.
Anatomie d'une batterie de véhicule électrique :
La principale source d'énergie d'un véhicule électrique est une batterie (Figure 1). Celle-ci est généralement conçue pour être logée sous le véhicule, entre les roues avant et arrière, occupant l'espace normalement réservé au tunnel de transmission, au pot d'échappement et au réservoir de carburant d'un véhicule à moteur thermique. Le fait de placer la batterie au plus bas permet d'abaisser considérablement le centre de gravité, un facteur essentiel pour la tenue de route du véhicule.
Figure 1 : Bloc-batterie d'un véhicule électrique (source : Nissan).
Pour la prochaine génération de véhicules électriques, un consortium de constructeurs étudie le développement d'une batterie interchangeable, adaptable à différentes plateformes et rapidement remplaçable par une batterie chargée. Cependant, les contraintes logistiques et techniques sont coûteuses et les progrès sont ralentis.
Une batterie de véhicule électrique se compose de plusieurs modules, chacun contenant de multiples batteries lithium cylindriques ou souples. Les cellules sont assemblées en série et en parallèle pour fournir une tension de 400 ou 800 V. Actuellement, les batteries 800 V sont privilégiées, principalement parce qu'elles permettent un cycle de charge plus rapide à courant constant. Chaque cellule fonctionne entre 2,5 et 4,2 V (selon sa composition chimique), et son comportement influe sur l'efficacité globale de la batterie. Le contrôle et la gestion des cellules par un système de gestion de batterie (BMS) sont donc indispensables.
Critères clés de gestion de la santé des batteries :
Les cellules lithium-ion sont réputées pour leurs excellentes caractéristiques de décharge, permettant aux véhicules électriques d’accélérer comme des voitures de sport hautes performances. Cependant, ces impressionnantes capacités de décharge présentent un risque important pour la sécurité en cas de problème. La tension de sortie élevée de la batterie représente également un danger pour le conducteur, les passagers et toute autre personne impliquée dans un accident. Le respect de la législation en vigueur relative à la sécurité fonctionnelle des véhicules est essentiel et constitue une exigence supplémentaire pour le système de gestion de la batterie (BMS). La figure 2 illustre les principaux paramètres de santé de la batterie surveillés et contrôlés par le BMS.
Figure 2 : Le BMS surveille l'état de la batterie et contrôle le fonctionnement de l'équilibrage des cellules et des fonctions de sécurité d'urgence (source : Université de Warwick, Centre de propulsion avancée).
Les principaux indicateurs d'un système de gestion de batterie (BMS) sont les suivants :
- État de charge estimé (SOC) : le SOC indique l'énergie restante dans un véhicule électrique à un instant donné et est généralement exprimé en pourcentage de la capacité totale. Le SOC est un indicateur fondamental, car il informe le conducteur de la charge restante et lui permet d'estimer l'autonomie potentielle du véhicule. Plusieurs capteurs connectés au BMS fournissent les informations nécessaires aux algorithmes exécutés par le microcontrôleur du BMS pour estimer l'état de charge.
- État de santé (SOH) : le SOH, également exprimé en pourcentage, indique l'état de santé global et la capacité de la batterie du véhicule par rapport à sa capacité initiale à l'état neuf. Il mesure la capacité de la batterie à stocker et à fournir de l'énergie au fil du temps, en tenant compte du vieillissement des cellules dû aux cycles de charge et de décharge répétés, ainsi qu'aux modifications chimiques au sein des cellules.
- État de fonctionnement (SOF) : le SOF prend en compte l'état de santé, mais offre une vision plus réaliste de la capacité de la batterie à fournir de l'énergie dans diverses conditions de fonctionnement. Les facteurs influençant l'état de fonctionnement (SOF) comprennent les résistances internes des cellules, le comportement thermique de la batterie et les tensions des cellules. Le SOF permet d'optimiser les cellules et la batterie, et de déterminer si une maintenance ou un remplacement de la batterie est nécessaire.
L'équilibrage des cellules est une technique importante d'optimisation des batteries. En raison de leur composition chimique, de légères différences existent au niveau des performances et du vieillissement des cellules, créant un déséquilibre de la tension et de la capacité de sortie lors de la décharge. L'équilibrage des cellules consiste à égaliser la charge de toutes les cellules afin d'optimiser les performances globales et de prolonger la durée de vie de la batterie. Le contrôle de la tension et du courant par le système de gestion de la batterie (BMS) vise à obtenir un état de charge (SOC) uniforme et à prévenir la surcharge ou la sous-charge des cellules individuelles.
Parmi les autres fonctions du BMS figurent la gestion thermique, la protection contre les surintensités et des fonctions de sécurité fonctionnelle supplémentaires (par exemple, conformes à la norme ISO 26262) et des fonctions d'intégrité de sécurité (par exemple, conformes à la norme ASIL-D).
La gestion thermique est un autre aspect important des batteries de véhicules électriques. La surveillance de la température des cellules implique de plus en plus le placement de capteurs à différents endroits à l'intérieur de la cellule, et non plus seulement sur le boîtier extérieur ou au centre d'un module de cellules. Des points chauds localisés peuvent indiquer une défaillance imminente d'une cellule, susceptible de se propager aux cellules voisines et de provoquer un emballement thermique et un incendie. Par temps froid, les performances de la batterie sont compromises ; le BMS doit donc réguler activement la charge afin d'éviter des dommages permanents aux cellules. Des techniques de refroidissement et de chauffage thermiques actifs peuvent s'avérer nécessaires pour les véhicules électriques conçus pour un fonctionnement continu en environnements extrêmes.
Si une cellule ne parvient pas à maintenir sa charge ou présente des performances médiocres, le système de gestion de batterie (BMS) peut l'isoler afin d'éviter tout dommage supplémentaire ou tout impact sur les performances globales du module et de la batterie.
Architecture typique d'un système de gestion de batterie :
la figure 3 illustre l'architecture générale d'un BMS pour un véhicule électrique courant. Les fonctions matérielles intégrées se répartissent en quatre catégories : capteurs, circuits intégrés de gestion des cellules et microcontrôleurs, réseaux embarqués, et sécurité et isolation. Côté logiciel, les algorithmes de gestion de batterie estiment un état de charge réaliste.
Figure 3 : Architecture d’un système de gestion de batterie typique utilisé dans un véhicule électrique (source : Mouser Electronics).
Capteurs (contrôle de tension et de courant) : La méthode exacte de contrôle de la tension varie, mais le système le plus économique utilise une seule chaîne de traitement du signal, composée d’un amplificateur opérationnel et d’un convertisseur analogique-numérique (CAN). Chaque cellule et module alimente des fils de capteur de tension individuels, et un circuit multiplexeur commute la valeur d’entrée de la cellule vers la chaîne de traitement du signal. Une méthode similaire est utilisée pour la détection du courant : la chute de tension mesurée aux bornes d’une résistance shunt de très faible valeur à l’intérieur du module de batterie est lue. Ce système, illustré à la figure 3, assure le contrôle nécessaire sans complexifier le circuit de chaque cellule et module.
Capteurs (température) : Pour les applications de contrôle des cellules, de simples thermistances à sortie numérique sont disponibles. Les thermistances constituent une option économique et occupent très peu d’espace dans un module de batterie. Comme indiqué précédemment, la recherche sur des techniques de contrôle de cellules plus sophistiquées, utilisant plusieurs capteurs de température et de champ magnétique placés dans chaque cellule, permet une gestion plus précise des cellules.
Circuits intégrés de gestion de cellules et microcontrôleurs : Des circuits intégrés de gestion et de contrôle de cellules hautement intégrés sont disponibles pour les véhicules électriques et constituent une alternative économique et performante aux microcontrôleurs classiques. La plupart fournissent toutes les fonctions nécessaires à la chaîne de signaux analogiques pour la surveillance de la tension, du courant et de la température. Certains sont également équipés de contrôleurs d'équilibrage de cellules MOSFET pour un équilibrage actif des cellules pendant la charge et la décharge. Parmi les autres fonctionnalités intégrées figurent la connectivité réseau pour les interfaces Ethernet et CAN avec les autres systèmes du véhicule. Les algorithmes de gestion de batterie offrent une approche plus intelligente et adaptative pour optimiser les performances du pack batterie en fonction de la charge et de son état général.
Isolation et sécurité : Les dispositifs de sécurité vont de la fonction « retour à la maison », qui fournit une capacité de batterie limitée à la chaîne de traction, à l'isolation galvanique complète du pack batterie par rapport à toutes les fonctions du véhicule électrique. Cette dernière utilise des disjoncteurs pyrotechniques à usage unique qui emploient une petite charge explosive, appelée amorce, pour interrompre instantanément la sortie haute tension de la batterie. L'amorce coupe le circuit beaucoup plus rapidement qu'un fusible classique.
Affichage des composants BMS :
L9963E de STMicroelectronics est un exemple de circuit intégré de contrôle et d’équilibrage de batteries multicellulaires . Certifié AEC-Q100 pour l’automobile, ce circuit intégré peut surveiller la tension et la charge (en coulombs) de jusqu’à 14 cellules de batterie montées en série, sans aucune désynchronisation entre les mesures. La figure 4 illustre l’architecture fonctionnelle principale du L9963E, capable de contrôler jusqu’à sept thermistances NTC et de communiquer avec le microcontrôleur BMS hôte via SPI ou une interface optiquement isolée.
Figure 4 : Schéma fonctionnel du circuit intégré de surveillance et d'équilibrage de batterie multicellulaire qualifié automobile STMicro L9963E (source : ST).
Il est possible de connecter jusqu'à 31 dispositifs L9963E en étoile pour surveiller 434 cellules connectées en série. Un convertisseur analogique-numérique (CAN) 16 bits offre une erreur maximale de ±2 mV sur toute la plage de mesure, de 0,5 à 4,3 V. Le L9963E assure également une fonction passive d'équilibrage des cellules (200 mA) pour la décharge via un circuit interne ou un courant plus élevé via des MOSFET externes. Le
TLE9012DQU d'Infineon Technologies (figure 5) est un autre exemple de circuit intégré de contrôle et d'équilibrage de batteries automobiles (conforme aux normes AEC-Q100, ISO 26262 et ASIL-D)
Figure 5 : Le circuit intégré TLE9012DQU d'Infineon assure le contrôle et l'équilibrage multicanaux des batteries lithium-ion (source : Infineon Technologies).
Le TLE9012DQU peut surveiller la tension de 12 cellules lithium-ion connectées en série et dispose d'un convertisseur analogique-numérique (CAN) sigma-delta 16 bits indépendant pour chaque cellule. Il intègre également cinq canaux de mesure de température pour l'utilisation de thermistances NTC externes. L'équilibrage passif des cellules est assuré jusqu'à 200 mA par cellule. Une carte d'évaluation basée sur le TLE9012DQU est disponible pour le prototypage.
Les composants de la série BQ769xc de Texas Instruments sont également des circuits intégrés de contrôle de batteries automobiles. Conçue pour les cellules lithium-ion et lithium-phosphate, la série BQ769x permet la connexion en série de jusqu'à 16 cellules. Le BQ769x intègre un panneau avant analogique complet avec un CAN 14 bits.
Le BMS : essentiel pour optimiser les performances des batteries des véhicules électriques.
Les systèmes de gestion de batterie (BMS) jouent un rôle essentiel : ils surveillent, contrôlent et optimisent la batterie du véhicule afin d'obtenir le meilleur équilibre entre puissance et autonomie, tout en assurant une fonction de sécurité primordiale. Pour plus d'informations sur les techniques de gestion des batteries, les lecteurs pourront trouver utile celivre blanc de Synopsys.
