Les batteries au lithium sont comme des moteurs qui manquent d'entretien ;BMSSans fonction d'équilibrage, il s'agit simplement d'un collecteur de 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'un bloc-batterie, mais leurs principes de mise en œuvre sont fondamentalement différents.
Par souci de clarté, cet article définit l'équilibrage initié par le BMS via des algorithmes comme un équilibrage actif, tandis que l'équilibrage utilisant des résistances pour dissiper l'énergie est appelé équilibrage passif. L'équilibrage actif implique un transfert d'énergie, tandis que l'équilibrage passif implique une dissipation d'énergie.
Principes de base de conception des batteries
- La charge doit s'arrêter lorsque la première cellule est complètement chargée.
- La décharge doit se terminer lorsque la première cellule est épuisée.
- Les cellules plus faibles vieillissent plus vite que les cellules plus fortes.
- -la cellule avec la charge la plus faible limitera finalement la batterie'sa capacité utilisable (le maillon le plus faible).
- Le gradient de température du système au sein de la batterie 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 entravera les capacités de charge et de décharge du pack.
En raison de l’inadéquation des cellules au fil du temps et des conditions de température variables liées à l’installation, l’équilibrage des cellules est essentiel.
Les batteries lithium-ion sont principalement confrontées à deux types d'inadéquation : l'inadéquation de charge et l'inadéquation de capacité. L'inadéquation de charge se produit lorsque des cellules de même capacité présentent des charges différentes. L'inadéquation de capacité survient lorsque des cellules de capacités initiales différentes sont utilisées ensemble. Bien que les cellules soient généralement bien adaptées si elles sont produites à peu près au même moment et selon des procédés de fabrication similaires, des inadéquations peuvent survenir si des cellules de provenance inconnue ou des différences de fabrication importantes existent.
Équilibrage actif vs. équilibrage passif
1. Objectif
Les batteries sont constituées de nombreuses cellules connectées en série, rarement identiques. L'équilibrage garantit que les variations de tension des cellules restent dans les limites prévues, préservant ainsi leur ergonomie et leur contrôlabilité, évitant ainsi tout dommage et prolongeant la durée de vie de la batterie.
2. Comparaison de conception
- Équilibrage passif : décharge généralement les cellules à haute tension à l'aide de résistances, convertissant ainsi l'excès d'énergie en chaleur. Cette méthode prolonge le temps de charge des autres cellules, mais son efficacité 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 cher, mais moins efficace, car il gaspille de l’énergie sous forme de chaleur et a des effets d’équilibrage plus lents. L'équilibrage actif est plus efficace, transférant 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, ce qui complique l'intégration de ces systèmes dans des circuits intégrés dédiés.
Conclusion
Le concept de BMS a été initialement développé à l'étranger, les premiers circuits intégrés étant axés sur la détection de tension et de température. Le concept d'équilibrage a ensuite été introduit, utilisant initialement des méthodes de décharge résistive intégrées aux circuits intégrés. Cette approche est aujourd'hui répandue, avec des entreprises comme TI, MAXIM et LINEAR produisant ce type de puces, certaines intégrant des pilotes de commutation.
D'après les principes et schémas de l'équilibrage passif, si l'on compare un pack batterie à un tonneau, les cellules sont comme des douelles. Les cellules à haute énergie sont des planches longues, et celles à faible énergie sont des planches courtes. L'équilibrage passif ne fait que « raccourcir » les planches longues, ce qui entraîne un gaspillage d'énergie et des inefficacités. Cette méthode présente des limites, notamment une dissipation thermique importante et un équilibrage lent dans les packs de grande capacité.
L'équilibrage actif, en revanche, « comble les planches courtes », transférant l'énergie des cellules à haute énergie vers celles à faible énergie, ce qui se traduit par une meilleure efficacité et un équilibrage plus rapide. Cependant, il introduit des problèmes de complexité et de coût, avec des difficultés de conception des matrices de commutation et de contrôle des variateurs.
Compte tenu des compromis, l’équilibrage passif peut convenir aux cellules présentant une bonne cohérence, tandis que l’équilibrage actif est préférable aux cellules présentant des écarts plus importants.
Date de publication : 27 août 2024
