Comprendre les systèmes de gestion de batterie (BMS) : concepts clés et composants essentiels

Explorez le rôle essentiel des systèmes de gestion de batterie et les composants fondamentaux qui permettent une conception d'alimentation sûre et efficace.

Les batteries Li-ion haute performance d'aujourd'hui offrent des densités énergétiques jusqu'à 265 Wh/kg, pourtant leur puissance peut être dangereuse si elles sont sursollicitées. Les systèmes de gestion de batterie (BMS) sont la protection qui maintient ces cellules dans des limites de fonctionnement sûres, prévenant l'emballement thermique et prolongeant la durée de vie.

Cet article parcourt les principes fondamentaux de l'architecture BMS et examine les éléments de base qui composent un système typique.

Configurations de base des BMS

La Figure 1 illustre les blocs de construction courants d'un BMS conçu pour protéger contre les défauts majeurs.

Figure 1. Diagramme de blocs typique d'un BMS

L'exemple gère quatre cellules Li-ion en série. Un moniteur de cellules lit la tension de chaque cellule et équilibre le pack, tandis qu'un MCU contrôle la télémétrie, la logique de commutation et la stratégie d'équilibrage.

Pour des applications plus simples, le marché propose des solutions épurées qui omettent l'équilibrage ou un MCU, comme le montre la Figure 2.

Figure 2. Un gestionnaire de batterie simple. Image fournie par Texas Instruments

Ces conceptions minimales limitent la flexibilité, liant le concepteur aux commutateurs et fonctionnalités choisis par le fournisseur.

Lorsqu'un pack s'agrandit ou nécessite des calculs précis d'état de charge, une solution à base de MCU devient nécessaire. La Figure 3 présente un équilibreur de base sans MCU, tandis que la Figure 4 montre un BMS commercial entièrement intégré de Renesas.

Figure 3. Un équilibreur de cellules indépendant du MCU. Image fournie par Texas Instruments

Figure 4. Un BMS commercial. Image fournie par Renesas

Les blocs de construction : composants du système de gestion de batterie

L'examen de la Figure 1 donne une vue d'ensemble. Ci-dessous, nous détaillons les éléments clés vus dans la Figure 4, en expliquant leurs rôles dans une architecture BMS.

Fusible

Une protection rapide contre les courts-circuits est assurée par un fusible auto-contrôlé (SCP), déclenché par l'IC de contrôle de surtension lorsqu'il tire la broche 2 vers la masse.

Figure 5. Fusible SCP et contrôle d'un BMS commercial

Puisque le MCU doit détecter un fusible grillé, l'alimentation du MCU est placée avant le fusible.

Détection de courant / Comptage coulombique

La détection de courant côté bas fournit une interface directe au MCU. En intégrant le courant dans le temps, le système implémente un compteur coulombique qui estime l'état de charge (SOC).

Figure 6. Détection de courant côté bas typique d'un BMS commercial

Le calcul du SOC suit la formule affichée dans la Figure 7 :

où
• SOC(t₀) est le SOC initial (Ah)
• C_rated est la capacité nominale (Ah)
• I_b est le courant de la batterie
• I_loss tient compte des pertes de réaction cellulaire
• τ est la période de moyennage des échantillons de courant

Thermistances

Les thermistances servent à double usage : surveillance de la température et arrêt de sécurité. Une thermistance peut déclencher directement le fusible SCP lorsque les températures deviennent critiques, comme le montre la Figure 8.

Figure 7. Une thermistance peut contrôler le SCP en cas de problèmes thermiques sévères

Des thermistances supplémentaires fournissent de la télémétrie pour la gestion de la température par le firmware, illustrée dans la Figure 9.

Figure 8. Thermistances utilisées par le firmware

Interrupteur principal

Les MOSFETs dans le BMS agissent comme interrupteurs côté haut ou côté bas. Une tension de commande de grille (V_gs) appropriée assure une faible résistance à l'état passant (R_MOS) et des pertes de conduction minimales. La Figure 10 représente un NMOS côté haut commandé via une pompe de charge.

Figure 9. Interrupteur principal du pack batterie (NMOS, côté haut)

Équilibreur

Les tolérances des cellules entraînent des désaccords de tension au fil des cycles. Une cellule plus faible peut se surcharger si le pack continue de charger, ou une cellule plus forte peut se décharger trop vite, risquant la sous-tension. L'équilibrage atténue les deux scénarios.

La Figure 11 montre comment un pack déséquilibré limite la charge complète, tandis que la Figure 12 démontre une stratégie de dérivation de charge passive qui égalise les tensions des cellules.

Figure 10. Cellules de capacité inférieure empêchant la charge complète du pack. Image fournie par Analog Devices

Figure 11. Cellules de capacité inférieure limitant l'utilisation de l'énergie complète du pack. Image fournie par Analog Devices

Figure 12. Exemple de stratégie d'équilibrage passif

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Cet article a présenté les concepts fondamentaux des systèmes de gestion de batterie et mis en évidence les composants critiques qui permettent un fonctionnement sûr et efficace. Nous espérons qu'il approfondit votre compréhension de la conception BMS et de son rôle dans l'électronique de puissance.

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