Le rôle clé des BMS (Systèmes de Gestion de batterie)

Dans un monde de plus en plus tourné vers la technologie et où la transition énergétique a une place prépondérante, l’utilisation des batteries est devenue incontournable. Que ce soit dans les véhicules électriques, les dispositifs de stockage d'énergie renouvelable ou dans notre quotidien avec les appareils électroniques (téléphone, ordinateur, brosses à dent…), elles ont envahi notre environnement. Ces différentes technologies nécessitent des batteries de plus en plus performantes avec des capacités de stockage importante et leur utilisation doit respecter des conditions électriques et thermiques précises, au risque de produire un emballement thermique. Pour limiter le risque d’une défaillance, les packs de batteries lithium intègrent des systèmes de gestion de batterie, appelés également « Battery Management System » (BMS).

1 - Les causes d’une défaillance d’un pack batteries

L’emballement thermique est un phénomène particulièrement dangereux et malheureusement assez fréquent. Il se caractérise par une augmentation rapide et incontrôlée de la température de la batterie. Ce phénomène se déclenche lors de la succession de plusieurs étapes :

- Déclencheur initial : il s’agit en général d’un court-circuit interne, une surcharge, des dommages physiques, un défaut de fabrication, une utilisation inappropriée. Ce déclencheur va augmenter la température de la batterie.

- Réactions chimiques internes : à mesure que la température augmente, des réactions chimiques internes se déclenchent, produisant encore plus de chaleur, comme la décomposition des électrolytes ou la réaction entre les électrodes.

- Élévation importante de la température :ces réactions en chaine vont entrainer une augmentation encore plus rapide de la température.

- Détérioration de la batterie : dès lors que le température atteint un certain seuil, la structure de la batterie peut commencer à se dégrader, pouvant entrainer la rupture de la cellule de la batterie.

2 - Les fonctionnalités des BMS

Un BMS, ou Système de Gestion de Batterie (en anglais, Battery Management System), est un dispositif électronique qui supervise et gère le fonctionnement des batteries rechargeables, typiquement des batteries au lithium-ion. Il joue un rôle essentiel dans la protection, la surveillance, et la gestion de l'état de charge et de santé de la batterie.

Surveillance des cellules de batterie

Le BMS surveille plusieurs éléments des cellules de batterie.

La tension

Le BMS mesure la tension aux bornes de chaque cellule individuelle dans un pack batteries pour s’assurer qu’elles restent dans leur plage de fonctionnement optimale. Lorsque la tension est trop élevée, c’est-à-dire une surcharge, cela peut entrainer un emballement thermique. Inversement, une tension trop basse, c’est-à-dire une décharge, dégrade l’élément et donc facilite l’apparition d’un emballement thermique.

La température

Le BMS surveille la température des cellules pour prévenir la surchauffe et l’emballement thermique. Une température élevée peut entrainer directement un emballement thermique. Une température trop basse entraine une dégradation facilitant l’apparition d’un emballement thermique.

Le courant

Le BMS mesure le courant entrant et sortant pour éviter la surcharge et la décharge excessive. Le pack batteries est dimensionné pour fournir ou recevoir un courant maximum en fonction de la température environnante. Un courant élevé peut entrainer une surchauffe des éléments et un risque de court-circuit.

L’isolement

Dans certains domaines, le pack batterie doit être isolé totalement du reste du produit. C’est le cas notamment des véhicules électriques où le pack batterie et le moteur sont isolés du châssis mécanique du véhicule.

Protection

Le BMS protège la batterie contre plusieurs risques dangereux comme la surcharge, la décharge, les courts-circuits et les températures extrêmes.

Les surintensités

Le BMS s’assure que le courant du pack batterie reste dans sa plage d’utilisation définie par le fabricant. Le BMS assure la protection contre les surintensités de plusieurs manières :

- En ouvrant les contacteurs lorsque le courant dépasse les seuils.

- S’il est équipé d’un fusible ou d’un disjoncteur thermique, ces systèmes s’ouvrent lorsque les seuils sont dépassés afin de déconnecter le pack batterie.

- S’il est également équipé d’un fusible thermique, celui-ci va couper le courant si la température dépasse un seuil.

Les surcharges et surdécharges

Le BMS intègre un dispositif permettant de surveiller constamment la tension du pack batteries. Lorsqu’une cellule atteint le seuil défini par le fabricant, le BMS peut ouvrir le contacteur pour déconnecter le pack batteries de son application.

Les courts-circuits

La protection contre les courts-circuits dans un BMS est indispensable dans un pack batterie. Le BMS surveille en continu le courant circulant à travers la batterie. Dès lors qu’il détecte un courant anormalement élevé, il réagit rapidement pour couper le circuit. Certains BMS utilisent des disjoncteurs ou des fusibles qui se déclenchent afin d’interrompre physiquement le circuit.

Les températures extrêmes

La température a un impact direct sur la performance, la sécurité et la longévité des batteries. Lorsque les températures dépassent les seuils de sécurité, le BMS peut limiter ou arrêter la charge ou la décharge de la batterie pour réduire la production de chaleur. Certaines batteries sont équipées de systèmes de refroidissement (ventilateurs, refroidissement liquide)que le BMS peut activer pour aider à diminuer la température. Le BMS peut même déconnecter la batterie du système pour prévenir des dommages ou des risques d’incendie.

Les cellules individuelles

En plus de surveiller les cellules individuellement, le BMS équilibre activement la charge entre les cellules pour éviter la surcharge oula décharge excessive de cellules individuelles. Il s’agit d’un point très important dans la gestion de la batterie.

L’usure de la batterie (SOH)

Le BMS peut intégrer une fonctionnalité qui permet d’évaluer les performances et la durée de vie du pack batteries. Cette donnée est primordiale pour permettre une réutilisation en seconde vie des packs batteries pour des utilisations moins exigeantes. Les marques de véhicules électriques, comme BMW, Nissan, Tesla, remplacent la batterie dès lors que le pourcentage de capacité tombe en dessous de 60-70%.

3 - L’intérêt d’un BMS

Mettre en place un BMS pour les packs batteries présente donc plusieurs avantages qui va dépendre du type de BMS choisi :

- Prévenir les risques pouvant entrainer un incendie ou une explosion.

- Optimiser la performance de la batterie.

- Augmenter la durée de vie du pack.

- Gérer l’état de charge.

- Communiquer avec d’autres systèmes.