BMS dans un BESS : fonctionnement, SOC, SOH, équilibrage et protections

À lire également : BESS – de la cellule au module et au rack de batteries

Dans l’article précédent, nous avons étudié la construction physique d’une batterie destinée à un système de stockage d’énergie :

Cellule → Module → Rack

Mais lorsqu’un rack contient des dizaines, voire des centaines de cellules, une nouvelle question apparaît :

Comment surveiller toutes ces cellules et garantir leur fonctionnement dans des conditions sûres ?

C’est précisément le rôle du :

BMS – Battery Management System

En français :

Système de gestion de batterie

Le BMS est un élément essentiel d’un système BESS – Battery Energy Storage System. Il surveille l’état des cellules, estime l’état de charge de la batterie, contrôle certaines fonctions de protection et communique les limites de fonctionnement aux autres équipements du système.

1. Pourquoi une batterie a-t-elle besoin d’un BMS ?

Deux cellules provenant du même fabricant peuvent avoir des caractéristiques très proches, mais elles ne restent jamais parfaitement identiques pendant toute leur durée de vie.

Avec le temps, de petites différences peuvent apparaître au niveau de :

• la tension ;

• la température ;

• la capacité ;

• la résistance interne ;

• l’état de charge ;

• le vieillissement.

Lorsqu’un grand nombre de cellules sont connectées en série, le comportement global de la batterie peut être limité par la cellule la plus faible.

Le BMS doit donc surveiller l’ensemble afin de maintenir chaque cellule dans sa plage de fonctionnement autorisée.

On peut résumer son rôle par trois fonctions principales :

Mesurer → Protéger → Communiquer

2. Mesure de la tension des cellules

La tension de chaque cellule est l’une des informations les plus importantes surveillées par le BMS.

Prenons un exemple simplifié :

Cellule 1 : 3,25 V
Cellule 2 : 3,26 V
Cellule 3 : 3,24 V
Cellule 4 : 3,27 V

Ces valeurs sont proches et l’ensemble paraît équilibré.

Mais supposons qu’une cellule atteigne une tension nettement supérieure aux autres pendant la charge.

Le BMS peut alors détecter une condition de :

Surtension – Overvoltage

À l’inverse, pendant la décharge, une cellule peut atteindre sa tension minimale avant les autres.

On parle alors de :

Sous-tension – Undervoltage

Le BMS surveille donc les limites maximales et minimales afin d’éviter que les cellules ne fonctionnent en dehors de leur plage autorisée.

3. Surveillance de la température

La température influence directement les performances, la durée de vie et la sécurité d’une batterie lithium-ion.

Des capteurs de température sont donc installés à différents endroits dans les modules ou les racks.

Le BMS surveille notamment les situations de :

température excessive,
température trop basse,
ou écart important de température entre différentes zones de la batterie.

Selon l’architecture du BESS, ces informations peuvent également être utilisées par le système de gestion thermique pour piloter :

• la ventilation ;

• le refroidissement ;

• le chauffage ;

• ou un système de refroidissement liquide.

Le BMS ne remplace pas nécessairement le système thermique, mais il lui fournit des informations essentielles sur l’état de la batterie.

4. Mesure du courant

Le courant constitue également une donnée fondamentale.

Lorsqu’un courant entre dans la batterie, celle-ci est en phase de :

Charge

Lorsqu’un courant sort de la batterie, elle est en phase de :

Décharge

La mesure du courant permet notamment au BMS de surveiller les limites de charge et de décharge et contribue également à l’estimation de l’état de charge de la batterie.

Le BMS doit par exemple détecter une situation dans laquelle le courant demandé dépasse les limites admissibles par les cellules.

5. SOC – State of Charge

Le SOC – State of Charge représente l’état de charge de la batterie.

Il est généralement exprimé en pourcentage.

Par exemple :

SOC = 100 % : batterie proche de son niveau maximal de charge autorisé.

SOC = 50 % : niveau intermédiaire.

SOC = 20 % : batterie proche de sa limite basse selon la stratégie d’exploitation.

Le SOC peut être comparé, de manière simplifiée, à la jauge de carburant d’un véhicule.

Cependant, il ne s’agit pas simplement de mesurer la tension de la batterie.

Le BMS utilise différentes méthodes d’estimation qui peuvent tenir compte notamment :

• du courant de charge et de décharge ;

• de la tension ;

• de la température ;

• du modèle électrochimique de la batterie ;

• de l’historique de fonctionnement.

Le SOC est ensuite communiqué aux autres systèmes afin qu’ils sachent quelle quantité d’énergie peut encore être stockée ou restituée.

6. SOH – State of Health

Le SOH – State of Health représente l’état de santé de la batterie.

Une batterie neuve est généralement considérée comme proche de :

SOH = 100 %

Au cours de son utilisation, les cellules vieillissent progressivement.

Cette dégradation dépend notamment :

• du nombre de cycles ;

• de la profondeur des cycles ;

• des températures de fonctionnement ;

• des courants de charge et de décharge ;

• du temps ;

• des conditions d’exploitation.

Une batterie vieillissante peut par exemple avoir perdu une partie de sa capacité initiale.

Le SOH fournit donc une indication sur l’évolution de ses performances par rapport à son état initial.

7. L’équilibrage des cellules – Cell Balancing

Dans un module, les cellules connectées en série doivent fonctionner aussi uniformément que possible.

Prenons l’exemple suivant :

Cellule 1 : 3,40 V
Cellule 2 : 3,41 V
Cellule 3 : 3,47 V
Cellule 4 : 3,39 V

La troisième cellule possède une tension plus élevée que les autres.

Pendant la charge, elle pourrait atteindre sa limite maximale avant les autres cellules et obliger le système à arrêter ou limiter la charge.

Pour réduire ces différences, le BMS utilise une fonction appelée :

Cell Balancing

ou :

Équilibrage des cellules

Deux grandes méthodes existent.

Équilibrage passif

L’énergie excédentaire d’une cellule plus chargée est dissipée, généralement sous forme de chaleur à travers un circuit résistif.

Cette solution est relativement simple et largement utilisée.

Équilibrage actif

L’énergie peut être transférée d’une cellule ou d’un groupe de cellules vers une autre partie de la batterie.

Cette solution est plus complexe mais permet de récupérer une partie de l’énergie au lieu de simplement la dissiper.

Le choix dépend de la conception du fabricant.

8. Les protections assurées par le BMS

Le BMS surveille continuellement les conditions de fonctionnement de la batterie.

Selon sa conception, il peut détecter notamment :

• surtension cellule ;

• sous-tension cellule ;

• surtempérature ;

• température trop basse ;

• surintensité ;

• déséquilibre important entre cellules ;

• défaut de capteur ;

• défaut de communication ;

• différentes conditions anormales définies par le constructeur.

Ces événements peuvent être classés selon différents niveaux.

Par exemple :

Warning → Alarm → Fault / Trip

Le niveau de réaction dépend de la gravité du défaut.

Une simple anomalie peut générer un avertissement, tandis qu’une condition dangereuse peut conduire à la limitation ou à l’arrêt du fonctionnement de la batterie.

9. Contacteurs DC et isolation de la batterie

Dans un système BESS, la batterie doit pouvoir être connectée ou isolée électriquement du reste du circuit DC.

On trouve donc souvent des :

Contacteurs DC

Le principe simplifié peut être représenté ainsi :

Batterie → Protection DC → Contacteurs → Bus DC → PCS

Selon l’architecture du fabricant, le BMS participe à la logique d’autorisation de fermeture et d’ouverture de ces contacteurs.

Si les conditions nécessaires ne sont pas réunies, le système peut empêcher la connexion de la batterie.

En cas de défaut critique, il peut également demander son isolement.

10. Le circuit de précharge

Un autre élément fréquemment associé au système batterie est le :

Circuit de précharge – Precharge Circuit

Pourquoi est-il nécessaire ?

Le PCS comporte généralement un bus continu DC, avec notamment des condensateurs.

Si une batterie haute tension était directement connectée à des condensateurs complètement déchargés, un courant transitoire très important pourrait apparaître.

La précharge permet donc d’augmenter progressivement la tension du bus DC avant la fermeture complète du circuit principal.

Le principe simplifié est :

Batterie → Résistance de précharge → Bus DC

Puis, lorsque les conditions de tension sont satisfaites :

Batterie → Contacteur principal → Bus DC

La logique exacte dépend évidemment du constructeur.

11. Une architecture BMS souvent hiérarchique

Dans un grand BESS, il serait difficile pour un seul contrôleur de mesurer directement des centaines ou des milliers de cellules.

Le système de gestion est donc généralement organisé de manière hiérarchique.

Une architecture simplifiée peut être représentée ainsi :

Cellules → Module BMS → Rack BMS → Master BMS

Le premier niveau est situé au plus près des cellules.

Il mesure notamment leurs tensions et leurs températures.

Un niveau supérieur récupère ensuite les informations provenant de plusieurs modules.

Enfin, un contrôleur principal peut centraliser les données de plusieurs racks.

Les appellations varient selon les fabricants.

On peut rencontrer par exemple :

CMU – Cell Monitoring Unit

BMU – Battery Management Unit

BCU – Battery Control Unit

Rack BMS

Master BMS

Il ne faut donc pas se concentrer uniquement sur les acronymes. Il est surtout important de comprendre la fonction de chaque niveau.

12. Communication du BMS

Le BMS ne fonctionne pas de manière isolée.

Il doit communiquer avec les autres équipements du BESS.

Selon les fabricants, on peut rencontrer différents protocoles ou réseaux industriels, par exemple :

CAN, Modbus, Ethernet ou d’autres solutions propriétaires.

Parmi les informations transmises, on peut retrouver :

• SOC ;

• SOH ;

• tension batterie ;

• courant batterie ;

• températures ;

• tensions des cellules ;

• états des contacteurs ;

• alarmes ;

• défauts ;

• puissance de charge admissible ;

• puissance de décharge admissible.

Ces deux dernières informations sont particulièrement importantes.

13. Limites de charge et de décharge

Le BMS ne se contente pas d’indiquer si la batterie fonctionne correctement.

Il peut également déterminer les limites instantanées auxquelles elle peut être utilisée.

Prenons un exemple.

La batterie se trouve à :

SOC = 95 %

Elle est donc presque chargée.

Le BMS pourrait alors indiquer au système :

Puissance maximale de charge : 20 kW

Puissance maximale de décharge : 100 kW

Cela signifie que la batterie peut encore accepter un peu de puissance en charge, mais pas nécessairement la pleine puissance nominale.

Les limites peuvent varier en fonction :

• du SOC ;

• de la température ;

• de l’état des cellules ;

• du SOH ;

• des limites électriques définies par le fabricant.

Ces informations sont ensuite utilisées par le système de conversion de puissance.

14. Le BMS ne convertit pas l’énergie

Il est important de ne pas confondre le rôle du BMS avec celui des autres équipements du BESS.

Le BMS :

surveille et protège la batterie.

Il ne transforme pas directement le courant continu en courant alternatif.

Cette fonction appartient au prochain élément de notre architecture :

PCS – Power Conversion System

Nous commençons ainsi à construire progressivement le BESS complet :

Cellule → Module → Rack → BMS → PCS

Le BMS connaît l’état et les limites de la batterie.

Le PCS devra ensuite utiliser cette batterie pour échanger de la puissance avec le réseau électrique.

Conclusion

Le Battery Management System est indispensable au fonctionnement d’une batterie BESS moderne.

Son rôle peut être résumé par quatre fonctions principales :

Mesurer → Estimer → Protéger → Communiquer

Il mesure les tensions, les températures et le courant.

Il estime notamment le SOC et le SOH.

Il surveille les limites de fonctionnement et participe à la protection de la batterie.

Enfin, il transmet les informations nécessaires aux autres équipements du système.

Après avoir étudié :

Cellule → Module → Rack → BMS

nous pouvons maintenant nous intéresser à l’équipement qui permet à l’énergie stockée en courant continu dans les batteries d’être échangée avec un réseau électrique alternatif.

Ce sera le sujet du prochain article :

PCS – Power Conversion System : l’interface de puissance entre la batterie et le réseau.