Comment fonctionne un BMS (systèmes de gestion de batterie) ?

Introduction

BMS systèmes de gestion de batterie jouent un rôle essentiel dans la supervision et le contrôle des batteries, garantissant ainsi leur sécurité, leur fiabilité et leurs performances optimales. Un BMS est une technologie dédiée à la surveillance et à la protection d’un ensemble de cellules de batterie, organisées électriquement pour fournir une plage de tension et de courant ciblée sur une durée déterminée en fonction des scénarios de charge attendus.

Définition d’un système de gestion de batterie (BMS)

Un système de gestion de batterie (BMS) est une solution technologique qui assure la supervision complète d’un pack de batterie, qu’il s’agisse d’une configuration centralisée, modulaire, principale/subordonnée ou distribuée. Son rôle est de surveiller en permanence la batterie, de la protéger contre les conditions de fonctionnement non sécurisées, d’estimer son état de fonctionnement, d’optimiser continuellement ses performances et de rapporter son statut opérationnel à des dispositifs externes.

Fonctionnement des systèmes de gestion de batterie

Les systèmes de gestion de batterie fonctionnent en surveillant les courants et les tensions de la batterie pour assurer une protection électrique efficace. Le BMS définit des limites de fonctionnement sécurisées et prend des mesures préventives pour maintenir la batterie dans ces limites. Cela implique de surveiller les courants et les tensions des cellules individuelles ou des groupes de cellules, ainsi que de contrôler la température de la batterie pour maintenir son fonctionnement dans une plage sûre.

La protection électrique est essentielle pour prévenir les conditions de surcharge, de surdécharge, de surintensité et de surtension. Le BMS applique des limites de courant de charge et de décharge pour prévenir les opérations en dehors des plages de sécurité. De plus, il surveille les tensions des cellules pour éviter les conditions de surtension ou de sous-tension. Ces mesures de protection garantissent la longévité de la batterie et préviennent les situations dangereuses.

La protection thermique est une autre fonction clé des BMS. Les batteries lithium-ion sont sensibles à la température, et une gestion thermique adéquate est nécessaire pour préserver leurs performances et leur durée de vie. Les BMS utilisent des systèmes de refroidissement passifs ou actifs pour maintenir la température des batteries dans une plage optimale de fonctionnement. Cela peut impliquer l’utilisation de dissipateurs thermiques, de ventilateurs ou de systèmes de refroidissement liquide pour prévenir la surchauffe de la batterie.

La gestion de la capacité est également cruciale pour maximiser la capacité utile de la batterie. Les BMS utilisent des techniques d’équilibrage pour égaliser la charge entre les cellules de la batterie, évitant ainsi une dégradation inégale et prolongeant la durée de vie de la batterie. Cela peut se faire en dissipant l’énergie des cellules les plus chargées vers celles moins chargées ou en réduisant le courant de charge pour les cellules pleinement chargées.

L’importance des systèmes de gestion de batterie

Les systèmes de gestion de batterie jouent un rôle essentiel dans divers domaines, allant des applications automobiles et industrielles aux systèmes de stockage d’énergie. Leur importance se manifeste à plusieurs niveaux :

1. Sécurité fonctionnelle : Les BMS garantissent un fonctionnement sûr des batteries en évitant les conditions dangereuses telles que la surcharge, la surchauffe ou la décharge excessive. Ils protègent les utilisateurs, les équipements et les installations contre les risques potentiels associés aux batteries.
2. Durée de vie et fiabilité :  Battery Management System contribuent à prolonger la durée de vie des batteries en assurant une gestion optimale de la charge, de la décharge et de la température. Ils réduisent les contraintes excessives sur les cellules individuelles et minimisent les effets de vieillissement prématuré, ce qui permet d’obtenir une performance fiable et constante sur une période prolongée.
3. Performances et autonomie : Il optimisent les performances des batteries en garantissant un équilibrage précis des cellules, en fournissant des informations précises sur l’état de charge et en ajustant les paramètres de charge et de décharge en fonction des besoins. Cela permet d’obtenir une autonomie maximale et une puissance disponible optimale.
4. Diagnostics, collecte de données et communication externe : Les BMS intègrent des fonctionnalités de diagnostic avancées, de collecte de données et de communication externe. Ils fournissent des informations précieuses sur l’état de la batterie, les performances passées, les alarmes et les alertes. Ces données sont essentielles pour les analyses prédictives, la maintenance proactive et l’optimisation continue des performances.
5. Réduction des coûts et garantie : Ils contribuent à réduire les coûts liés à l’utilisation et à l’entretien des batteries. En optimisant l’utilisation de la capacité, en prévenant les défaillances prématurées et en permettant une gestion proactive, ils minimisent les coûts de remplacement, prolongent les intervalles de maintenance et offrent une garantie de fonctionnement fiable.

Les avantages des systèmes de gestion de batterie

Les systèmes de gestion de batterie (BMS) offrent de nombreux avantages dans le domaine de l’électronique, en particulier pour les applications utilisant des batteries rechargeables. Il assure la sécurité fonctionnelle, prolonge la durée de vie de la batterie, améliore les performances et l’autonomie, facilite les diagnostics et la collecte de données, réduit les coûts et garantit un fonctionnement fiable.

Sécurité fonctionnelle

La sécurité fonctionnelle est une préoccupation majeure lorsqu’il s’agit de batteries rechargeables. Les BMS jouent un rôle crucial dans la protection des batteries contre les situations dangereuses telles que la surcharge, la surchauffe, la décharge excessive, les courants excessifs et les variations de tension. Ils surveillent en permanence l’état de la batterie et prennent des mesures préventives pour éviter tout dysfonctionnement potentiellement dangereux.

Durée de vie et fiabilité

Les BMS contribuent à prolonger la durée de vie des batteries en les maintenant dans des conditions de fonctionnement optimales. Ils assurent un équilibrage des cellules, ce qui signifie que chaque cellule de la batterie est maintenue au même niveau de charge. Cela évite la surcharge de certaines cellules et la sous-charge d’autres, ce qui peut réduire la capacité et la durée de vie de la batterie. De plus, ils surveillent les paramètres internes des cellules, tels que l’impédance interne, pour détecter les éventuels problèmes et prévenir les défaillances.

Performances et autonomie

Grâce à une gestion précise de la tension, de la charge et de la décharge, les BMS optimisent les performances de la batterie. Ils permettent une utilisation plus efficace de l’énergie stockée, ce qui se traduit par une meilleure autonomie pour les appareils alimentés par batterie. De plus, en évitant les conditions de fonctionnement critiques, tels que la décharge excessive ou la surchauffe, ils préservent les performances de la batterie à long terme.

Diagnostics, collecte de données et communication externe

Les BMS sont équipés de fonctionnalités de diagnostic avancées qui permettent de surveiller en temps réel l’état de la batterie. Ils collectent des données sur la tension, le courant, la température et d’autres paramètres importants, ce qui permet d’évaluer la santé de la batterie et de détecter les éventuels problèmes ou anomalies. Ils peuvent également communiquer ces informations à des dispositifs externes tels que des ordinateurs, des smartphones ou des systèmes de surveillance, ce qui facilite la prise de décisions éclairées et permet une maintenance proactive de la batterie.

Calculs effectués par les systèmes de gestion de batterie

Les BMS effectuent une variété de calculs pour surveiller et évaluer l’état de la batterie. Voici quelques-uns des calculs couramment réalisés par les BMS :

• Calcul de la tension Le BMS mesure et surveille en permanence la tension de chaque cellule de la batterie pour s’assurer qu’elle reste dans les limites de fonctionnement sûres.
• Estimation de l’état de charge (SoC) ou de la profondeur de décharge (DoD) Le BMS utilise des algorithmes sophistiqués pour estimer l’état de charge de la batterie, c’est-à-dire la quantité d’énergie restante, ou la profondeur de décharge, c’est-à-dire la quantité d’énergie déjà utilisée.
• Calcul de l’état de santé (SoH) Le BMS évalue l’état de santé de la batterie en comparant sa capacité actuelle avec sa capacité d’origine. Cela permet de déterminer la quantité de capacité restante et de prédire la durée de vie de la batterie.
• Détermination de l’état de puissance (SoP) Le BMS calcule l’état de puissance en fonction de la demande actuelle, de la température et d’autres conditions. Cela permet de déterminer la quantité d’énergie disponible pour une période donnée.
• Détection de l’état de sécurité (SOS) Le BMS surveille les conditions de sécurité de la batterie, telles que la surchauffe, les courants excessifs ou les variations de tension, et prend des mesures pour prévenir les situations dangereuses.
• Calcul du courant de charge maximal (CCL) Le BMS limite le courant de charge pour éviter la surcharge de la batterie. Il surveille la quantité de courant entrant et ajuste la charge en conséquence.
• Calcul du courant de décharge maximal (DCL) Le BMS limite le courant de décharge pour éviter la décharge excessive de la batterie. Il surveille la quantité de courant sortant et ajuste la décharge en conséquence.
• Calcul de l’énergie livrée depuis la dernière charge ou cycle de charge Le BMS mesure et enregistre la quantité d’énergie livrée par la batterie depuis la dernière charge complète ou le dernier cycle de charge.
• Mesure de l’impédance interne d’une cellule Le BMS évalue l’impédance interne de chaque cellule de la batterie pour détecter les problèmes potentiels et surveiller la santé de la batterie.
• Calcul de la charge électrique livrée ou stockée Le BMS mesure et enregistre la quantité de charge électrique livrée ou stockée par la batterie.
• Calcul de l’énergie totale livrée depuis la première utilisation Le BMS enregistre la quantité totale d’énergie livrée par la batterie depuis sa première utilisation.
• Calcul du temps total de fonctionnement depuis la première utilisation Le BMS enregistre le temps total de fonctionnement de la batterie depuis sa première utilisation, ce qui permet d’évaluer la durée de vie de la batterie.
• Calcul du nombre total de cycles Le BMS compte le nombre total de cycles de charge et de décharge complets de la batterie, ce qui permet d’estimer sa durée de vie et sa capacité restante.
• Surveillance de la température Le BMS surveille en permanence la température de la batterie pour éviter les conditions de fonctionnement critiques. Des capteurs de température sont utilisés pour détecter les variations de température et prendre des mesures préventives si nécessaire.
• Gestion du flux de liquide de refroidissement pour les batteries refroidies à l’air ou à l’eau Certains BMS sont équipés de systèmes de gestion du flux de liquide de refroidissement pour maintenir la température de la batterie dans des limites sécuritaires. Ils contrôlent le débit de liquide de refroidissement et activent les dispositifs de refroidissement lorsque cela est nécessaire.

Communication

Les BMS sont capables de communiquer avec d’autres systèmes ou dispositifs externes, tels que des ordinateurs, des smartphones ou des systèmes de surveillance. Ils transmettent les données de surveillance de la batterie, les informations de diagnostic et les alertes de sécurité pour permettre une analyse approfondie et une prise de décision éclairée.

Contrôleur principal du BMS

Le contrôleur principal du BMS est responsable de la gestion globale de la batterie. Il surveille les paramètres clés, coordonne les opérations des sous-systèmes du BMS, communique avec les dispositifs externes et prend des décisions en fonction des informations reçues. Le contrôleur principal assure la coordination et l’intégrité du BMS, garantissant ainsi un fonctionnement optimal et une protection efficace de la batterie.

Connexion de la batterie au circuit de charge

Le BMS facilite la connexion sécurisée de la batterie au circuit de charge en utilisant des systèmes de précharge. Ces systèmes permettent de réduire les courants d’inrush lors de la connexion de la batterie à des charges externes, évitant ainsi les dommages aux composants et les perturbations du système électrique.

Équilibrage des cellules

Pour maximiser la capacité de la batterie et éviter les déséquilibres de charge, le BMS effectue un équilibrage des cellules. Cela signifie qu’il redistribue l’énergie entre les cellules pour maintenir une charge uniforme et éviter les surcharges ou les sous-charges. L’équilibrage des cellules contribue à une utilisation plus efficace de la batterie, à une durée de vie accrue et à des performances optimales.

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