BMS, le gardien de la batterie lithium

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Le BMS : pourquoi une batterie lithium ne vit pas sans lui

La cellule la plus faible commande

Une batterie lithium est un assemblage de cellules : en série pour la tension, en parallèle pour la capacité. Une batterie LFP de 48 V aligne ainsi 16 cellules de 3,2 V.
Or ces cellules ne sont jamais parfaitement identiques. En série, elles sont traversées par la même intensité : la plus faible est la première pleine à la charge et la première vide à la décharge. Si personne ne la surveille, elle dépasse ses limites pendant que les autres semblent aller bien, et la tension totale du pack ne montre rien.

Pour se le représenter : des verres de tailles légèrement différentes, remplis au même débit. Le plus petit déborde le premier, et quand on les vide au même rythme, il est aussi le premier à sec. Additionner le contenu de tous les verres ne dit rien de celui qui déborde : c’est pourquoi il faut regarder chaque cellule.

Avec le plomb, un élément un peu trop chargé fait bouillir son électrolyte, et c’est tout. Avec le lithium, une cellule surchargée ou trop déchargée s’abîme, et peut aller jusqu’à l’emballement thermiqueRéaction interne qui s’entretient d’elle-même : la cellule chauffe, se décompose, dégage des gaz inflammables et peut enflammer ses voisines. La chimie NMC y est plus sensible que la LFP..

D’où le BMS :

le Battery Management System, système de gestion de la batterie. Une carte électronique qui mesure la tension de chaque cellule, les températures et l’intensité, et qui peut couper la batterie à tout instant.

Les protections

Le BMS coupe la charge, la décharge, ou les deux, dès qu’une grandeur sort de sa plage :

Protection	Déclenche quand	Coupe
Surtension	une cellule dépasse sa tension maxi	la charge
Sous-tension	une cellule passe sous sa tension mini	la décharge
Surintensité	l’intensité dépasse le maximum admis	selon le sens
Court-circuit	pointe d’intensité brutale	tout, en microsecondes
Température	trop chaud, ou trop froid pour charger	selon le cas

La coupure se fait par des transistors de puissance sur les petites batteries, par un contacteur sur les grosses.

Un piège de dépannage :

une batterie lithium « morte » à 0 V n’est souvent qu’une batterie protégée. Le BMS a coupé la décharge ; une tentative de charge, avec un chargeur compatible, suffit parfois à la réveiller. Mais une cellule restée longtemps très en dessous de sa tension minimale ne doit plus être rechargée.

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L’équilibrage

Au fil des cycles, les cellules se désalignent. Sans correction, la charge s’arrête dès que la plus chargée atteint son maximum, et les autres ne sont jamais remplies : la capacité utile fond.

L’équilibrage passif, le plus courant, décharge la cellule en avance dans une petite résistance, en fin de charge, jusqu’à ce que ses voisines la rattrapent. Simple et bon marché, mais l’énergie retirée part en chaleur, et l’intensité d’équilibrage est faible : quelques dizaines de milliampères. Comme si l’on vidait un peu le verre le plus plein dans l’évier, le temps que les autres le rattrapent.
L’équilibrage actif transfère l’énergie de la cellule la plus chargée vers les moins chargées. Plus efficace et plus rapide, il équipe les grosses batteries et les BMS haut de gamme. Cette fois, on transvase le trop-plein dans les verres voisins.

Dans les deux cas, l’équilibrage agit surtout en fin de charge, là où les écarts de tension deviennent visibles. Une batterie jamais chargée à fond ne s’équilibre jamais.

La jauge et le dialogue

Sur une LFP, la tension reste presque plate de 20 à 90 % de charge : impossible d’en déduire l’état de charge, comme on le faisait avec le plomb. Le BMS compte donc les ampères-heures qui entrent et qui sortent, comme un compteur. Mais tout compteur dérive : il se recale à chaque charge complète, lorsque la tension remonte franchement. C’est cela, le vrai « recalibrage ». Comme un conducteur dont la jauge d’essence serait bloquée : il estime ce qui reste avec le compteur kilométrique, et remet son calcul à zéro à chaque plein.
Le BMS estime aussi l’état de santé : la capacité réelle restante, comparée à la capacité d’origine.

Parler avec l’onduleur :

Dans une installation solaire, le BMS communique avec l’onduleur ou le chargeur, par un bus CAN ou RS485Deux liaisons série industrielles courantes. Le protocole doit être compatible des deux côtés : une batterie et un onduleur de marques différentes ne se comprennent pas toujours.. Il lui indique en permanence l’intensité de charge et de décharge autorisée, et l’état de charge. L’onduleur adapte alors sa consigne au lieu de subir les coupures. Sans cette liaison, l’onduleur travaille à l’aveugle, sur des seuils de tension moins précis.

Résistance interne, tester une batterie, en associer plusieurs, passer du plomb au lithium : tout est dans Aller plus loin, en fin de cours !