Les batteries au lithium sont comme des moteurs qui ne nécessitent aucun entretien ;BMSUn système sans fonction d'équilibrage se limite à collecter des données et ne peut être considéré comme un système de gestion. L'équilibrage actif et passif visent tous deux à éliminer les incohérences au sein d'une batterie, mais leurs principes de mise en œuvre sont fondamentalement différents.
Par souci de clarté, cet article définit l'équilibrage initié par le système de gestion de batterie (BMS) via des algorithmes comme un équilibrage actif, tandis que l'équilibrage utilisant des résistances pour dissiper l'énergie est qualifié de passif. L'équilibrage actif implique un transfert d'énergie, tandis que l'équilibrage passif implique une dissipation d'énergie.
Principes de conception de base des blocs-batteries
- La charge doit s'arrêter lorsque la première cellule est complètement chargée.
- La décharge doit cesser lorsque la première cellule est épuisée.
- Les cellules plus faibles vieillissent plus vite que les cellules plus fortes.
- -La cellule la moins chargée finira par limiter la capacité de la batterie.'capacité utilisable (le maillon faible).
- Le gradient de température au sein du système de batteries affaiblit les cellules fonctionnant à des températures moyennes plus élevées.
- Sans équilibrage, la différence de tension entre les cellules les plus faibles et les plus fortes augmente à chaque cycle de charge et de décharge. À terme, une cellule atteindra sa tension maximale tandis qu'une autre approchera sa tension minimale, ce qui nuira aux capacités de charge et de décharge de la batterie.
En raison du décalage entre les cellules au fil du temps et des variations de température depuis l'installation, l'équilibrage des cellules est essentiel.
Les batteries lithium-ion sont principalement sujettes à deux types de déséquilibres : les déséquilibres de charge et les déséquilibres de capacité. Les déséquilibres de charge surviennent lorsque des cellules de même capacité présentent des niveaux de charge différents au fil du temps. Les déséquilibres de capacité se produisent lorsque des cellules de capacités initiales différentes sont utilisées ensemble. Bien que les cellules soient généralement bien appariées si elles sont produites à peu près au même moment et selon des procédés de fabrication similaires, des déséquilibres peuvent survenir avec des cellules d'origine inconnue ou présentant des différences de fabrication importantes.
Équilibrage actif vs. équilibrage passif
1. Objectif
Les batteries sont composées de nombreuses cellules connectées en série, qui sont rarement identiques. L'équilibrage permet de maintenir les écarts de tension entre les cellules dans les plages prévues, préservant ainsi l'efficacité et la fiabilité globales, et évitant les dommages et prolongeant la durée de vie de la batterie.
2. Comparaison des conceptions
- Équilibrage passif : Cette méthode consiste généralement à décharger les cellules à tension plus élevée à l’aide de résistances, en convertissant l’énergie excédentaire en chaleur. Elle allonge le temps de charge des autres cellules, mais son rendement est moindre.
- Équilibrage actif : Technique complexe qui redistribue la charge au sein des cellules pendant les cycles de charge et de décharge, réduisant ainsi le temps de charge et prolongeant la durée de décharge. Elle utilise généralement des stratégies d’équilibrage par le bas pendant la décharge et par le haut pendant la charge.
- Comparaison des avantages et des inconvénients : L'équilibrage passif est plus simple et moins coûteux, mais moins efficace, car il gaspille de l'énergie sous forme de chaleur et ses effets d'équilibrage sont plus lents. L'équilibrage actif est plus efficace, car il transfère l'énergie entre les cellules, ce qui améliore l'efficacité globale et permet d'atteindre l'équilibre plus rapidement. Cependant, il implique des structures complexes et des coûts plus élevés, et son intégration dans des circuits intégrés dédiés représente un défi.
Conclusion
Le concept de BMS a d'abord été développé à l'étranger, les premiers circuits intégrés étant axés sur la détection de la tension et de la température. Le concept d'équilibrage a été introduit ultérieurement, initialement à l'aide de méthodes de décharge résistive intégrées aux circuits intégrés. Cette approche est aujourd'hui largement répandue ; des entreprises comme TI, MAXIM et LINEAR produisent de telles puces, certaines intégrant des circuits de commande de commutation.
D'après les principes et schémas d'équilibrage passif, si l'on compare une batterie à un tonneau, ses cellules sont assimilables aux douelles. Les cellules à haute énergie sont représentées par de longues planches, et celles à basse énergie par de courtes planches. L'équilibrage passif ne fait que « raccourcir » les longues planches, ce qui entraîne un gaspillage d'énergie et des pertes d'efficacité. Cette méthode présente des limitations, notamment une importante dissipation de chaleur et une lenteur d'équilibrage pour les batteries de grande capacité.
L'équilibrage actif, en revanche, « comble les lacunes », en transférant l'énergie des cellules à haute énergie vers celles à basse énergie, ce qui permet d'obtenir un rendement supérieur et un équilibre atteint plus rapidement. Cependant, il introduit des problèmes de complexité et de coût, notamment en ce qui concerne la conception des matrices de commutation et le contrôle des entraînements.
Compte tenu des compromis à faire, l'équilibrage passif peut convenir aux cellules présentant une bonne homogénéité, tandis que l'équilibrage actif est préférable pour les cellules présentant de plus grandes disparités.
Date de publication : 27 août 2024
