Gestion de la batterie d'un véhicule électrique : surveillance, estimation et contrôle

Le système de gestion de la batterie (BMS) d'un véhicule électrique transforme les mesures de tension, de courant et de température en estimations de l'état de la batterie et en limites de puissance de recharge et de traction. Il supervise également la connexion électrique de la batterie au véhicule et réagit aux défauts.

Ce chapitre explique ces mesures et ces décisions. Battery Pack and Configuration décrit l'agencement électrique sur lequel elles portent.

Ce que mesure le BMS

Les cellules directement reliées en parallèle partagent la même tension aux bornes. Le BMS mesure donc normalement chaque groupe parallèle comme une position dans la chaîne série. Un pack hypothétique 108s4p contient 432 cellules physiques, mais comporte 108 tensions de groupes en série à surveiller.

Ces mesures révèlent des écarts que la tension totale du pack peut masquer. Une tension élevée dans un groupe peut compenser une tension faible ailleurs, donnant un total apparemment normal. Le contrôleur a besoin des mesures individuelles pour identifier le groupe qui approche d'une limite.

En plus de ces tensions, le BMS utilise les mesures du courant du pack et des capteurs de température. Les températures relevées correspondent à l'emplacement des capteurs ; elles ne mesurent pas directement chaque point à l'intérieur de chaque cellule. La surveillance du pack contrôle aussi la haute tension et l'isolement électrique, tandis que les circuits de diagnostic renseignent sur l'état des connexions et des commutations. Texas Instruments: automotive battery-management systems

L'intégration du courant dans le temps aide à estimer la charge restante. La tension et la température limitent le courant autorisé.

Organisation du matériel

L'électronique du BMS peut être centralisée, modulaire ou distribuée. Dans la classification de Nexperia, un BMS centralisé gère l'ensemble du pack depuis une unité centrale. Une architecture modulaire répartit la surveillance et le contrôle entre des unités responsables de sous-ensembles de modules, qui communiquent avec un contrôleur central. Une architecture distribuée place la surveillance et l'équilibrage au niveau de cellules individuelles ou de petits groupes, reliés par un bus de communication. Nexperia: Battery Management System technical guide

La conception de référence de NXP de 2023 pour les applications 800 V illustre ces rôles matériels, avec des unités de surveillance des cellules, une unité de gestion de la batterie et un boîtier de jonction. NXP: 800 V BMS reference-design user guide (2023)

Unités de surveillance et contrôleur

Les unités de surveillance des cellules (CMU) mesurent les tensions des groupes de cellules et les signaux des capteurs de température à proximité des cellules. Elles peuvent aussi intégrer des circuits d'équilibrage. L'unité de gestion de la batterie (BMU) collecte ces mesures et exécute le logiciel de contrôle. NXP: 800 V BMS reference-design user guide (2023)

Des liaisons filaires peuvent relier les dispositifs de surveillance en chaîne. Un chemin de communication redondant peut préserver l'accès aux mesures après la défaillance d'une liaison, si le matériel et la stratégie de contrôle le permettent. Texas Instruments: functional safety in battery management (2020)

Un BMS sans fil remplace le câblage de communication entre l'électronique de surveillance des cellules et le contrôleur central par une liaison radio. Analog Devices décrit cette liaison dans son système BMS sans fil. Analog Devices: wireless battery management (2022) La mesure des tensions et l'équilibrage restent des fonctions électriques locales, au niveau des cellules. NXP: 800 V BMS reference-design user guide (2023)

Le boîtier de jonction de la batterie

Le boîtier de jonction de la batterie (BJB) contient les connexions de forte intensité et les dispositifs de commutation du pack ; son dispositif de mesure varie. TI distingue un boîtier conventionnel, dont les fils de mesure rejoignent la BMU, d'un boîtier intelligent équipé d'un dispositif local de surveillance du pack. Texas Instruments: intelligent battery junction boxes (2022)

La synchronisation des échantillons de tension et de courant est importante : des mesures prises à des instants différents pendant une variation de charge peuvent fausser le calcul de la puissance et de la résistance. Texas Instruments: intelligent battery junction boxes (2022)

Estimer la charge, l'énergie, la puissance et l'état de santé

Le BMS calcule des grandeurs que les capteurs ne peuvent pas mesurer directement. Leurs définitions et leurs conditions de référence déterminent le sens d'un pourcentage affiché ou d'une valeur de diagnostic.

État de charge

L'état de charge (SOC) exprime la charge électrique restante par rapport à une capacité de référence, généralement en pourcentage. Le comptage coulombique suit la charge entrante et sortante en intégrant le courant dans le temps. Analog Devices: SOC and SOH estimation techniques (2023)

Dans un exemple simplifié, un courant de décharge constant de 10 A pendant 30 minutes retire 5 Ah. Pour une capacité de référence fixe de 100 Ah, cela représente cinq points de pourcentage de SOC. Ce calcul suit la charge ; le calcul de l'énergie nécessite aussi la tension.

Un décalage persistant du capteur de courant produit une erreur qui s'accumule lors de l'intégration du courant dans le temps. L'analyse d'Analog Devices sur la précision du comptage coulombique décrit ce décalage et d'autres erreurs de mesure. Analog Devices: accuracy of coulomb-counting systems (2000)

Le calcul nécessite aussi un SOC initial. La tension peut aider à corriger l'estimation, mais elle varie avec la charge et la température. Des estimateurs fondés sur un modèle, comme les filtres de Kalman, combinent les mesures avec le comportement prévu de la batterie pour actualiser le SOC. Analog Devices: SOC and SOH estimation techniques (2023)

Les cellules LFP compliquent particulièrement l'estimation fondée sur la tension dans la partie plate de leur courbe de tension à circuit ouvert. L'hystérésis signifie également que la tension dépend du parcours de charge ou de décharge précédent. L'étude de Che et de ses collègues publiée en 2025 examine ces difficultés et l'utilisation de mesures de relaxation pour corriger les estimations du SOC. Che et al.: Enhanced SOC Estimation for LFP Batteries (2025) Cell Chemistry and Components explique les matériaux concernés.

Le pourcentage au tableau de bord transpose ensuite l'estimation de la batterie sur une échelle destinée au conducteur. Les valeurs affichées de 100% et de 0% ne coïncident pas nécessairement avec les limites de fonctionnement des cellules ou avec l'épuisement de toute l'énergie accessible ; Battery Buffer and Usable Capacity explique cette distinction.

Une mesure de tension à circuit ouvert après un repos suffisamment long peut fournir une nouvelle référence de SOC, à partir de la relation tension–SOC de la cellule. Analog Devices: SOC and SOH estimation techniques (2023) La correction de l'estimation peut donc modifier le pourcentage affiché sans ajouter d'énergie ni restaurer la capacité perdue. Les habitudes de recharge doivent suivre le manuel du véhicule.

Énergie restante et état d'énergie

L'énergie utilisable restante s'exprime en kWh. L'état d'énergie (SOE) peut quant à lui être exprimé en fraction ou en pourcentage : MathWorks le définit comme l'énergie restante divisée par l'énergie totale de référence. La référence et les conditions de décharge doivent être précisées pour comparer les valeurs. MathWorks: state-of-energy estimator

Les pourcentages de SOC et de SOE ne sont pas nécessairement identiques, car la tension varie pendant la décharge. Deux batteries au même SOC peuvent aussi contenir des quantités d'énergie différentes simplement parce que leurs capacités diffèrent.

État de puissance

L'état de puissance (SOP) décrit la puissance qu'une batterie peut accepter ou délivrer dans ses limites pendant une durée donnée. Les capacités de charge et de décharge sont calculées séparément. Un bref pic et une puissance soutenue correspondent à des sollicitations différentes.

Un estimateur de puissance évalue la réponse de la tension des cellules au courant, en tenant compte notamment du SOC, de la température et de la résistance. Le courant autorisé du pack doit respecter les contraintes des groupes de cellules les plus limitants ainsi que celles du pack. Le modèle de puissance de batterie de MathWorks illustre ce calcul sur une période de prédiction définie. MathWorks: battery power estimator

État de santé

L'état de santé (SOH) décrit les capacités de la batterie par rapport à une référence, généralement la batterie neuve. La conservation de la capacité et l'aptitude à délivrer de la puissance sont deux aspects différents de cet état. Un pourcentage de SOH nécessite une grandeur mesurée et une base de comparaison définies. Analog Devices: SOC and SOH estimation techniques (2023)

Le manuel américain de Tesla pour la Model 3 de 2017–2023 distingue une évaluation de l'état de santé utilisant les données du BMS d'un test facultatif qui indique la conservation de l'énergie par rapport à l'état neuf. Le manuel précise que ce test peut ne pas être disponible sur tous les véhicules. Tesla Model 3 (2017–2023): high-voltage battery health, US manual

Battery Degradation traite plus en détail de la perte de capacité et de l'augmentation de la résistance.

Connecter et protéger le circuit haute tension

Les contacteurs sont des interrupteurs commandés électriquement qui relient la batterie au circuit haute tension du véhicule. Avant d'autoriser cette connexion, la logique de contrôle vérifie les mesures et les signaux de défaut pertinents.

Précharge

Les équipements haute tension, comme l'onduleur, contiennent des condensateurs. Relier directement à la batterie un condensateur de bus continu déchargé peut provoquer un fort courant d'appel, endommager des composants ou souder les surfaces des contacteurs. Un circuit de précharge conventionnel charge d'abord ce condensateur à travers une résistance. Texas Instruments: high-voltage precharge circuits (2021)

Dans le montage illustré par TI, le contacteur principal négatif et le chemin de précharge se ferment tandis que le contacteur principal positif reste ouvert. Lorsque la tension côté charge approche de celle de la batterie, les contacteurs principaux prennent en charge le courant et la branche de précharge est ouverte. Texas Instruments: high-voltage precharge circuits (2021)

Les mesures de tension côté batterie et côté charge permettent au contrôleur de suivre la précharge et contribuent au diagnostic des commutations. Texas Instruments: intelligent battery junction boxes (2022) Elles doivent être interprétées selon l'état de fonctionnement du circuit : la précharge rapproche les deux tensions alors que le contacteur principal positif est encore ouvert. Des tensions identiques ne suffisent donc pas à établir qu'il s'est fermé. Texas Instruments: high-voltage precharge circuits (2021)

Surveillance de l'isolement et de la boucle d'interverrouillage

La surveillance de l'isolement vérifie la résistance électrique entre le circuit haute tension et le châssis. Elle détecte un chemin conducteur indésirable, plutôt que de simplement vérifier si un connecteur est bien emboîté. Le BJB de référence de NXP surveille l'isolement entre la batterie et le châssis. NXP: 800 V BMS reference-design user guide (2023)

La boucle d'interverrouillage haute tension (HVIL) est un circuit basse tension distinct qui traverse les connexions surveillées. La conception de référence de TI distingue les connexions fermées, les connexions ouvertes et les courts-circuits, puis communique leur état à la logique de sécurité du véhicule. Texas Instruments: high-voltage interlock reference design (2024) Un défaut d'interverrouillage et un défaut d'isolement décrivent donc des problèmes différents, même si chacun peut empêcher l'activation de la haute tension.

Des réponses adaptées au défaut

Les décisions de protection dépendent du défaut et de l'état de fonctionnement du véhicule. Elles peuvent limiter la puissance, arrêter la recharge, avertir le conducteur ou empêcher une reconnexion. Une forte surintensité peut déclencher une protection plus rapide : TI décrit une sortie dédiée du dispositif de surveillance du pack pouvant activer un dispositif de coupure pyrotechnique. Texas Instruments: intelligent battery junction boxes (2022)

La sécurité fonctionnelle traite aussi les défaillances de l'électronique de surveillance et de contrôle elle-même. ISO/TR 9968:2023 fournit un cadre informatif pour appliquer la méthode ISO 26262 aux systèmes rechargeables de stockage d'énergie, y compris le BMS, les cellules et les connexions. ISO/TR 9968:2023: functional safety of rechargeable energy-storage systems

L'ouverture des contacteurs isole le circuit externe, mais laisse de l'énergie dans les cellules et une tension sur les conducteurs internes. Battery Safety traite des défaillances internes des cellules, du confinement physique et de la protection contre la propagation.

Effets des limites sur la recharge et la conduite

Le BMS transmet les limites autorisées de charge et de décharge aux autres contrôleurs du véhicule. Pendant la recharge rapide, le contrôleur de recharge utilise les limites de la batterie pour demander du courant à la borne. Les capacités du chargeur et le matériel du véhicule peuvent imposer d'autres limites ; Battery Charging and Charging Performance explique leur effet sur l'ensemble de la courbe de recharge.

Lorsque la tension d'un groupe de cellules approche de sa limite supérieure, le courant de recharge autorisé diminue. Pendant la décharge, une chute de tension dans un groupe limitant peut au contraire restreindre le courant disponible pour la traction. Le conducteur peut donc constater une accélération réduite alors que le pack contient encore de l'énergie. MathWorks: battery power estimator

Le freinage régénératif renvoie de l'énergie vers la batterie et doit respecter sa limite de puissance de charge. La compensation automatique par les freins à friction dépend du véhicule et des réglages. Le manuel américain de Tesla pour la Model 3 à partir de 2024 décrit, par exemple, une fonction activable qui applique les freins conventionnels lorsque la régénération est limitée par une batterie froide ou entièrement chargée. Cette compensation peut ne pas fonctionner si les freins sont extrêmement chauds. Tesla Model 3 (2024+): braking and stopping, US manual

À partir des mesures de température, le BMS transmet au système de gestion thermique les demandes de chauffage et de refroidissement, ainsi que les limites de charge et de décharge. Nexperia: Battery Management System technical guide Battery Thermal Management explique les chemins de transfert thermique et les stratégies de préconditionnement.

Équilibrage et informations de diagnostic

L'équilibrage réduit les écarts de niveau de charge entre les groupes reliés en série. Dans un système passif, une résistance dissipe l'énergie de certains groupes afin que les autres puissent continuer à se charger. Analog Devices: passive battery cell balancing (2016) L'équilibrage modifie la répartition de la charge ; l'étalonnage du SOC modifie l'estimation. Les méthodes et leurs limites sont décrites dans Cell Balancing.

Les informations de diagnostic aident à distinguer un problème de cellule d'un problème de mesure ou de connexion. Par exemple, la déconnexion d'un fil de mesure de tension peut supprimer une mesure valide sans que la cellule elle-même soit défaillante. De même, les défauts de communication peuvent rendre les mesures indisponibles pour le contrôleur, qui risque alors de manquer des informations nécessaires pour autoriser la poursuite du fonctionnement. Texas Instruments: functional safety in battery management (2020)

Pour interpréter un pourcentage de diagnostic, vérifiez s'il s'agit d'une estimation en fonctionnement normal ou d'un résultat de test, ce qu'il mesure et la référence utilisée.