Un pack batterie peut sembler normal de l’extérieur alors qu’une cellule à l’intérieur approche déjà d’un problème. La tension totale du pack peut encore paraître acceptable, alors qu’une cellule est plus proche de sa limite supérieure de tension ou fonctionne à une température plus élevée que ses voisines. C’est à ce niveau qu’un battery management system, ou BMS, devient essentiel. Son rôle n’est pas simplement d’allumer et d’éteindre la batterie, et l’appeler le « cerveau » de tout un système de stockage lui attribue trop de responsabilités. Un BMS surveille étroitement la batterie, estime des états de batterie que les capteurs ne peuvent pas signaler directement, et communique ou impose les limites dans lesquelles la batterie doit fonctionner.

Dans un système de stockage haute tension, ces tâches peuvent être réparties entre plusieurs éléments matériels. Le design de référence BESS 1500 V de NXP, par exemple, utilise des unités de surveillance de cellules pour mesurer les tensions de cellules individuelles et les températures environnementales, tandis que l’unité de gestion de batterie traite les données et contrôle les actions de niveau supérieur. Le même design inclut aussi une mesure au niveau du pack et des interfaces de contacteurs. La raison de regarder au-delà du chiffre total du pack est simple: le pack est composé de nombreuses cellules, et une cellule qui approche d’une limite électrique ou thermique peut compter avant que la lecture globale du pack ne semble anormale. (nxp.com)

Des mesures de cellule aux limites de fonctionnement

Le BMS fait plus que collecter des mesures. La tension, le courant et la température sont des entrées de capteurs; le state of charge et le state of health sont des états calculés ou estimés à partir des mesures de batterie et des algorithmes du BMS. Infineon cite l’estimation SOC/SOH, avec la détection de défauts, l’équilibrage et la communication, comme fonctions centrales du BMS pour le stockage d’énergie par batteries. Pour un non-spécialiste, la distinction utile est qu’un état de batterie affiché n’est pas un autre canal brut de capteur. C’est l’estimation de travail du BMS pour une condition qui ne peut pas être mesurée avec un seul capteur. (infineon.com)

Ces mesures et estimations deviennent utiles lorsque le BMS les transforme en limites de fonctionnement. Une batterie qui chauffe ou approche d’une limite de tension de cellule ne passe pas toujours directement du fonctionnement normal à un arrêt complet. Dans les systèmes gérés, le BMS peut demander aux équipements connectés de réduire ce qu’ils sollicitent de la batterie. Victron donne un exemple concret: un BMS intelligent CAN-bus peut envoyer une limite de tension de charge, une limite de courant de charge et une limite de courant de décharge au contrôleur système, qui transmet ensuite ces contraintes aux onduleurs/chargeurs et chargeurs connectés. Ces limites peuvent aussi changer dynamiquement lorsque la tension de cellule, le state of charge ou la température évoluent, de sorte que le lien entre BMS et contrôleur compte en fonctionnement normal comme en situation de défaut. Si une cellule approche d’une limite supérieure pendant la charge, réduire la charge autorisée peut maintenir la batterie à distance de cette limite avant qu’une déconnexion ferme ne devienne nécessaire. (victronenergy.com)

La protection peut aussi devenir physique. Dans les systèmes de batteries haute tension, des contacteurs connectent et déconnectent la batterie du circuit principal de puissance. L’unité de gestion de batterie BESS de NXP inclut une surveillance d’interverrouillage et un contrôle des contacteurs, ce qui donne à l’architecture BMS un moyen d’isoler la batterie lorsque la protection exige plus qu’une limite communiquée. C’est un type d’action différent de la régulation ordinaire de puissance: l’une gère l’intensité d’utilisation de la batterie, tandis que l’autre peut rompre complètement la connexion électrique. (nxp.com)

Pourquoi une cellule peut limiter tout le pack

L’équilibrage devient plus clair lorsque le pack est observé cellule par cellule. Les cellules d’un même pack sont similaires, mais de petites différences de capacité et de conditions thermiques peuvent les faire dériver au fil du temps. Texas Instruments note dans un article de conception BESS que l’incohérence entre cellules et les différences de refroidissement peuvent créer un déséquilibre, tandis qu’un déséquilibre entre packs peut réduire l’énergie maximale utilisable de l’ESS. Au niveau cellule, la conséquence pratique est qu’une cellule peut atteindre une limite plus tôt que ses voisines, laissant une partie de l’énergie potentielle du pack inutilisée même si d’autres cellules pourraient continuer. (ti.com)

L’équilibrage est la fonction BMS qui tente d’empêcher ces écarts de devenir trop importants. Il ne rend pas chaque cellule identique et ne peut pas restaurer la capacité perdue dans une cellule vieillie ou endommagée. Ce qu’il peut faire, c’est réduire le décalage afin qu’une cellule soit moins susceptible de devenir à répétition le limiteur précoce du pack. Les recommandations de Texas Instruments sur l’équilibrage des cellules illustrent le même principe: lorsque le déséquilibre est élevé, la cellule à tension la plus élevée peut mettre fin à la charge plus tôt, ou la cellule à tension la plus faible peut mettre fin à la décharge plus tôt, laissant de la capacité inutilisée dans d’autres cellules. C’est pourquoi l’équilibrage va de pair avec la mesure et la protection: le BMS ne surveille pas seulement le moment où une limite est franchie, il gère aussi les conditions qui influencent la régularité avec laquelle les cellules approchent de cette limite. (ti.com)

La communication complète le tableau. Un BMS peut exposer l’état de la batterie, les alarmes et les limites de fonctionnement aux équipements externes, et le BESS BMU de NXP inclut des interfaces Ethernet, CAN FD et RS485 pour la connexion à un energy management system. Mais le BMS n’effectue pas la conversion de puissance AC/DC du PCS et n’a pas besoin de prendre chaque décision au niveau du site. Un contrôleur de niveau supérieur peut décider quand le système doit charger ou décharger; le BMS fournit les informations et les limites côté batterie qui rendent ces décisions sûres pour le pack. (nxp.com)

Une manière utile de comprendre un BMS consiste donc à suivre la chaîne qui va de l’observation à l’action. Il surveille les cellules et les conditions du pack, transforme les mesures en estimations d’état de batterie, compare ces conditions aux limites de fonctionnement, équilibre les cellules qui dérivent et communique ou impose des restrictions lorsque c’est nécessaire. Il ne peut pas empêcher les batteries de vieillir, réparer une cellule faible ni remplacer les autres contrôleurs d’un système de stockage d’énergie. Ce qu’il fournit, c’est la limite opérationnelle de la batterie: les informations et la protection qui permettent au reste du système d’utiliser le pack sans le traiter comme une simple boîte avec une tension à ses bornes. C’est une description moins spectaculaire que « le cerveau », mais elle est beaucoup plus proche de ce qu’un BMS fait réellement.