L’équilibrage passif des cellules équilibre une batterie en dissipant l’énergie des cellules à tension plus élevée. Dans un BMS classique, une résistance et un dispositif de commutation sont connectés en parallèle sur chaque cellule, et le BMS active le shunt lorsque la tension de cette cellule dépasse un seuil de tension ou d’équilibrage. Le courant excédentaire contourne la cellule et est dissipé sous forme de chaleur au lieu d’être transféré vers les cellules à tension plus faible.
L’équilibrage passif est peu coûteux, simple et fiable, mais il échange la simplicité du circuit contre des pertes d’énergie, une production de chaleur et un équilibrage relativement lent. Il convient particulièrement aux applications nécessitant un courant d’équilibrage modéré et présentant des variations gérables entre les cellules.
Fonctionnement de l’équilibrage passif des cellules
Le chemin de dérivation
Chaque cellule possède un égaliseur individuel connecté entre ses bornes positive et négative. Cet égaliseur se compose généralement d’une résistance de décharge commandée par un MOSFET ou par un autre dispositif de commutation commandé en tension.
Lorsqu’il est activé, le circuit crée un chemin de courant parallèle autour de la cellule. Pendant la charge, une partie du courant du chargeur circule dans le shunt au lieu de continuer vers la cellule à tension plus élevée.
Commande basée sur la tension
Le BMS mesure la tension de chaque cellule et la compare à un seuil d’équilibrage ou à la tension des autres cellules de la chaîne en série. Si la tension d’une cellule est suffisamment supérieure à celle des autres, son shunt est activé.
Le contrôleur utilise normalement des seuils de commutation, une hystérésis, des temporisateurs ou des limites de température afin d’éviter les commutations rapides et l’équilibrage inutile à proximité de la tension cible.
Dissipation de l’énergie
Pour un shunt résistif, le courant d’équilibrage et la production de chaleur approximatifs sont les suivants :
[ I_{\text{bal}} \approx \frac{V_{\text{cell}}}{R_{\text{shunt}}} ]
[ P_{\text{heat}} \approx \frac{V_{\text{cell}}^2}{R_{\text{shunt}}} ]
Les valeurs précises dépendent de la tension de la cellule, de la valeur de la résistance, du dispositif de commutation et du cycle de fonctionnement. Une résistance plus faible augmente le courant d’équilibrage, mais accroît également la chaleur et les contraintes exercées sur les composants.
Pourquoi l’équilibrage des cellules est nécessaire
Les cellules en série ne restent pas identiques
Les cellules connectées en série subissent le même courant de chaîne, mais elles n’ont pas nécessairement la même capacité, la même résistance interne, le même état de charge, le même historique de vieillissement ou le même taux d’autodécharge.
À mesure que ces différences s’accumulent, une cellule peut atteindre la limite supérieure de tension avant les autres pendant la charge. Une autre cellule peut atteindre la limite inférieure de tension en premier pendant la décharge.
La cellule la plus faible limite le pack
Le BMS doit généralement arrêter la charge lorsqu’une cellule atteint sa tension maximale autorisée et arrêter la décharge lorsqu’une cellule atteint sa tension minimale autorisée. Par conséquent, une cellule déséquilibrée peut limiter la capacité utilisable de l’ensemble du pack batterie.
L’équilibrage passif réduit cette différence en retirant de la charge aux cellules qui approchent trop tôt de la limite supérieure de tension. Il ne peut pas restaurer la capacité perdue d’une cellule ni corriger une cellule défectueuse, mais il peut gérer les variations modérées entre des cellules par ailleurs adaptées.
La tension n’est qu’un indicateur indirect de l’état de charge
L’équilibrage passif est souvent commandé par la tension de la cellule, mais la tension ne correspond pas toujours directement à l’état de charge. La température, le courant de charge, la résistance interne, le comportement de relaxation et la chimie de la cellule influencent tous la tension mesurée.
Pour cette raison, un seuil de tension seul peut ne pas identifier précisément la cellule contenant le plus d’énergie stockée. Le BMS doit combiner les mesures de tension avec une logique appropriée de courant, de température, de temporisation et de protection.
Place de l’équilibrage passif dans un BMS
Équilibrage proche de la pleine charge
L’équilibrage passif est le plus souvent effectué pendant la charge ou à proximité de la zone supérieure de l’état de charge. À ce stade, de faibles différences de tension peuvent indiquer qu’une cellule approche de sa tension maximale autorisée.
Le BMS peut réduire la vitesse à laquelle la tension de cette cellule augmente tandis que les autres cellules continuent de se charger. Cela permet aux cellules à tension plus faible de rattraper leur retard, à condition que le courant d’équilibrage soit suffisant et que la charge reste active assez longtemps.
Mise en œuvre distribuée
Dans un BMS distribué, les composants d’équilibrage peuvent être placés à proximité des cellules ou des modules de cellules associés. Cela peut simplifier la mesure locale de la tension et réduire la complexité du câblage.
La conception globale nécessite néanmoins une commande coordonnée, une surveillance de la température, une détection des défauts et une isolation adaptées à la tension du pack et aux exigences de sécurité.
Sélection du courant d’équilibrage
Le courant d’équilibrage requis dépend de la différence attendue entre les cellules, du courant de charge, du temps d’équilibrage souhaité et de la capacité thermique disponible. Un petit shunt peut être peu coûteux, mais nécessiter beaucoup de temps pour corriger un déséquilibre significatif.
Un shunt à courant plus élevé peut raccourcir la période d’équilibrage, mais il augmente la taille de la résistance, les pertes de commutation et l’élévation de température, tout en imposant davantage de contraintes à la conception thermique.
Principales limites de l’équilibrage passif
Il détruit l’énergie excédentaire
L’équilibrage passif ne transfère pas l’énergie d’une cellule à état de charge élevé vers une cellule à état de charge faible. Il convertit l’énergie électrique excédentaire en chaleur à travers la résistance de shunt et les composants de commutation.
Cela réduit le rendement de l’équilibrage et gaspille une énergie qui pourrait autrement rester disponible dans la batterie ou être transférée vers une autre cellule.
Il crée des charges thermiques localisées
La chaleur se concentre près des composants d’équilibrage et des cellules voisines. Si plusieurs canaux fonctionnent simultanément, la charge thermique qui en résulte peut devenir importante, même lorsque la puissance moyenne du pack est relativement faible.
La conception nécessite donc des résistances présentant des caractéristiques nominales appropriées, une quantité suffisante de cuivre sur le circuit imprimé, un espacement adapté, une détection de température, une prise en compte du boîtier et des chemins thermiques efficaces. Un circuit d’équilibrage adéquat sur le plan électrique peut néanmoins être inadapté sur le plan thermique.
L’équilibrage est relativement lent
Les courants d’équilibrage passif sont généralement bien inférieurs aux courants normaux de charge ou de décharge. La correction d’un déséquilibre important peut donc nécessiter un temps de charge prolongé ou des cycles d’équilibrage répétés.
Si le chargeur s’arrête dès que la première cellule atteint sa limite de tension, le BMS peut ne pas disposer de suffisamment de temps pour équilibrer les cellules restantes. Dans ce cas, la stratégie d’équilibrage et la logique d’arrêt du chargeur doivent être conçues conjointement.
Il ne permet pas de récupérer l’énergie
Une fois l’énergie dissipée dans la résistance, elle n’est plus disponible pour charger une autre cellule. C’est la différence fondamentale avec l’équilibrage actif, qui peut transférer l’énergie des cellules les plus chargées vers les cellules les moins chargées au moyen de condensateurs commutés, d’inductances ou de transformateurs.
Les systèmes actifs peuvent améliorer le rendement et le temps de réponse de l’équilibrage, mais ils nécessitent une conversion de puissance, une commande, une détection et une gestion des défauts plus complexes.
Sa capacité à corriger une forte disparité est limitée
L’équilibrage passif est destiné à gérer des différences relativement faibles entre les cellules. Il ne constitue pas un remède efficace pour une cellule présentant une capacité sensiblement inférieure, une autodécharge anormale, une fuite excessive ou une résistance interne nettement plus élevée.
Une cellule qui reste déséquilibrée doit faire l’objet d’une investigation par des essais et, le cas échéant, être retirée ou remplacée plutôt que compensée en permanence par un courant de décharge plus important.
Comprendre les compromis
Simplicité contre rendement
Le principal argument en faveur de l’équilibrage passif est son architecture simple. Une résistance, un dispositif de commutation, un canal de mesure de tension et un algorithme de commande peuvent fournir une fonction d’équilibrage pratique à faible coût.
Le prix de cette simplicité est que le système gère le déséquilibre en consommant l’énergie au lieu de la redistribuer.
Faible coût contre conception thermique
Les circuits passifs présentent généralement une complexité réduite au niveau des composants et de la commande par rapport aux circuits d’équilibrage actifs. Toutefois, l’avantage en matière de coût doit inclure la solution thermique, les contraintes liées au boîtier, la surveillance de la température et toute réduction du rendement de fonctionnement.
Pour les packs de faible puissance, la chaleur peut être facile à gérer. Pour les packs de grande capacité ou hautes performances, la pénalité thermique peut devenir une contrainte majeure de conception.
Correction de tension contre véritable équilibrage énergétique
La tension aux bornes d’une cellule peut être réduite en dissipant du courant, mais cela ne signifie pas nécessairement que les cellules ont le même état de charge ou la même énergie stockée. Des différences de capacité et de résistance peuvent subsister même après que leurs tensions semblent proches.
L’équilibrage doit donc être évalué dans des profils réalistes de charge et de décharge, et pas uniquement en observant si les tensions des cellules convergent au repos ou à la fin de la charge.
Erreurs courantes de conception
Plusieurs erreurs peuvent compromettre une conception d’équilibrage passif :
- Choisir une résistance d’équilibrage sans calculer la puissance dissipée en continu.
- Ignorer la chaleur cumulée produite par plusieurs canaux actifs simultanément.
- Supposer que l’égalité de tension prouve l’égalité de l’état de charge ou de la capacité.
- Utiliser l’équilibrage pour masquer une cellule endommagée ou fortement déséquilibrée.
- Prévoir un temps d’équilibrage insuffisant avant l’arrêt de la charge.
- Omettre les coupures thermiques, les limites de courant, la détection des circuits ouverts ou la gestion des défauts des dispositifs de commutation.
Faire le bon choix selon votre objectif
L’équilibrage passif est particulièrement adapté lorsque la conception privilégie un fonctionnement prévisible, un faible coût et des besoins d’équilibrage modérés.
- Si votre priorité est le faible coût et la simplicité de conception : utilisez des résistances de shunt commutées avec des seuils, des puissances nominales, des limites thermiques et une détection des défauts soigneusement sélectionnés.
- Si votre priorité est un rendement d’équilibrage élevé : envisagez l’équilibrage actif, car il transfère l’énergie au lieu de la dissiper, tout en acceptant une complexité accrue des circuits et de la commande.
- Si votre priorité est un pack de grande capacité ou hautes performances : quantifiez la chaleur d’équilibrage, le fonctionnement simultané des canaux et le temps d’équilibrage avant d’approuver une conception passive.
- Si votre priorité est la fiabilité : utilisez le tri des cellules, l’appariement des capacités, l’appariement des résistances, la surveillance de la température et des tests diagnostiques afin que l’équilibrage passif gère les variations normales plutôt que des défauts cellulaires dissimulés.
- Si votre priorité est une validation précise du BMS : testez l’équilibrage dans des conditions dynamiques de charge, de décharge, de température et de disparité entre les cellules, plutôt que de vous fier uniquement aux mesures statiques de tension.
Un égaliseur passif bien conçu est un outil pratique de gestion des disparités, mais il doit être considéré comme une charge thermique contrôlée, et non comme un système de récupération d’énergie.
Tableau récapitulatif :
| Aspect | Description |
|---|---|
| Principe de fonctionnement | Dissipe l’énergie excédentaire des cellules à tension plus élevée au moyen de résistances, en la transformant en chaleur. |
| Avantages | Faible coût, conception simple, fiabilité pour des besoins d’équilibrage modérés. |
| Limites | Perte d’énergie, production de chaleur, équilibrage lent, incapacité à corriger une forte disparité. |
| Convient particulièrement à | Packs de faible puissance et applications sensibles au coût présentant des variations gérables. |
| Alternative | L’équilibrage actif transfère l’énergie pour un meilleur rendement, mais ajoute de la complexité. |
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