Équilibrage actif vs passif des cellules : ce que cela change réellement pour la durée de vie du pack

Réponse rapide : L'équilibrage passif fait redescendre les cellules les plus chargées d'une chaîne série au niveau de la plus basse, à l'aide d'une résistance et de chaleur, et ne peut agir que pendant la charge du pack. L'équilibrage actif déplace la charge entre les cellules au lieu de la brûler, via l'une des trois topologies de circuit, et peut agir pendant la charge, la décharge ou au repos. Aucun des deux n'est automatiquement le bon choix : la décision dépend du cycle de service, de l'objectif de nombre de cycles, et de la quantité de coût, de poids et de complexité supplémentaires que l'application peut absorber.

Quelques millivolts de déséquilibre par cellule ne semblent pas grand-chose. Non corrigé, cela s'accumule cycle après cycle par l'effet de la cellule la plus faible, et se manifeste des mois plus tard par un pack qui atteint sa fin de vie alors que la plupart de ses cellules ont encore une capacité réelle. La méthode d'équilibrage qu'un BMS utilise pour corriger ce déséquilibre est un véritable compromis d'ingénierie, pas une simple case à cocher sur une fiche technique.

Se tromper dans un sens ou dans l'autre a un coût. Spécifier un équilibrage actif dans une application à faible cycle de service, et vous avez payé pour des interrupteurs, des composants magnétiques et de la surface de PCB qu'un circuit passif et un bon tri des cellules auraient suffi à gérer. Spécifier un équilibrage uniquement passif dans une application à cycles élevés et tolérances serrées, et le pack ne peut pas corriger assez vite, la perte de capacité apparaissant plus tôt que promis sur la fiche technique.

Pourquoi quelques millivolts de déséquilibre raccourcissent la durée de vie du pack

Les cellules d'une chaîne série portent toutes le même courant. Lorsqu'une cellule d'un pack 6S ou 12S a une capacité légèrement inférieure ou une résistance interne légèrement supérieure aux autres, elle atteint sa limite de tension ou d'état de charge en premier, aux deux extrémités. La charge doit s'arrêter dès que cette seule cellule atteint son plafond, même si toutes les autres cellules ont encore de la marge. La décharge doit s'arrêter dès que cette même cellule atteint son plancher, même si toutes les autres cellules ont encore de l'énergie.

Le résultat est une chaîne qui se comporte comme son maillon le plus faible, pas comme sa cellule moyenne. Cet écart ne reste pas fixe. À chaque cycle, la cellule faible s'éloigne un peu plus des autres, car la perte de capacité et l'augmentation de résistance ne sont pas parfaitement uniformes entre les cellules, même issues du même lot de production. Non corrigée, la capacité utilisable de l'ensemble du pack diminue plus vite que ne le suggérerait la courbe de dégradation propre à une seule cellule, et le pack atteint sa fin de vie sur le papier alors que la majorité de ses cellules ont encore une capacité réelle.

C'est un problème plus restreint que la durée de vie du pack en général. La profondeur de décharge, le régime C et le vieillissement calendaire déterminent tous la vitesse à laquelle une cellule se dégrade par elle-même, et ce tableau plus large est couvert dans ce qui détermine réellement la durée de vie en cycles des cellules Li-Ion. Cet article se concentre spécifiquement sur le déséquilibre : comment un BMS corrige la dérive cellule à cellule une fois qu'elle existe, et comment cette méthode de correction est choisie.

Un chiffre réel qui montre à quel point un cycle de service change le résultat : la SA112 d'Amprius, une cellule cylindrique 21700 avec laquelle Dan-Tech construit des packs de batteries sur mesure, est évaluée sur la fiche technique d'Amprius à 500 cycles jusqu'à 80 % d'état de santé sous un profil de décharge plus exigeant, et à 1 000 cycles jusqu'à 90 % d'état de santé à une profondeur de décharge plus douce de 70 %. Même cellule, environ le double du nombre de cycles, parce que les conditions de fonctionnement ont changé. Le déséquilibre s'ajoute à cette variabilité. Un pack qui laisse sa cellule la plus faible subir un cycle de service local plus dur que le reste de la chaîne s'achète silencieusement le moins bon chiffre.

Équilibrage passif : comment fonctionne réellement la dissipation par résistance

L'équilibrage passif est la plus simple des deux approches, et reste le choix par défaut dans de nombreuses conceptions de BMS pour de bonnes raisons. Pendant la charge, le BMS surveille chaque cellule de la chaîne. Dès qu'une cellule dépasse la tension moyenne du pack, une résistance (fixe ou commutée sur les bornes de cette cellule) prélève un petit courant sur cette cellule et le dissipe sous forme de chaleur, la retenant jusqu'à ce que le reste de la chaîne la rattrape.

Où va l'énergie : un exemple chiffré

Les chiffres de rendement évoqués pour les circuits d'équilibrage ne signifient pas grand-chose sans les rattacher en watts à un pack réel. Prenons un pack 12S où trois cellules se situent nettement au-dessus des autres en fin de charge. Un circuit de dissipation passive tire typiquement entre 50 et 200 mA par cellule dissipée, ce qui est la fourchette habituelle du secteur pour les conceptions d'équilibrage à résistance, pas un chiffre propre à Dan-Tech. À une tension nominale de cellule d'environ 3,6-3,7 V, cela représente environ 0,2-0,7 W dissipés sous forme de chaleur par cellule activement dissipée, soit de l'ordre de 1-2 W au total sur ces trois cellules pendant la durée de la fenêtre d'équilibrage.

Ce n'est pas un chiffre important en soi. Cela devient une contrainte de conception réelle lorsque le pack s'équilibre à chaque cycle de charge dans un boîtier scellé à surface d'évacuation de chaleur limitée, ou lorsque la température ambiante est déjà élevée avant même que le courant de dissipation n'ajoute quoi que ce soit.

Ce que coûte l'équilibrage passif

Le mécanisme de dissipation ne fonctionne que pendant la charge. Il ne peut pas corriger un déséquilibre qui se développe en cours de décharge, et il ne peut pas agir pendant que le pack reste au repos entre deux utilisations. Pour un cycle de service où l'essentiel de la contrainte réelle survient pendant la décharge ou pendant de longues périodes de repos entre les charges, l'équilibrage passif ne fait jamais que rattraper son retard au cycle de charge suivant, jamais en temps réel.

L'autre coût est la chaleur, en particulier là où cette chaleur se dépose. En fonctionnement continu ou en environnement à température ambiante élevée, les résistances de dissipation ajoutent une charge thermique faible mais réelle précisément là où la température des cellules compte déjà le plus pour la durée de vie en cycles.

Équilibrage actif : trois topologies, pas une seule technique

On parle de l'équilibrage actif comme s'il s'agissait d'une seule technique. Ce n'est pas le cas. « Actif » signifie simplement que le circuit déplace la charge entre les cellules au lieu de brûler l'excédent sous forme de chaleur, et il existe trois familles réelles de circuits qui font cela, chacune avec un profil différent de coût, de complexité et de vitesse. (À distinguer également ici : un PCM, un circuit de protection seule sans intelligence d'équilibrage, n'est pas un BMS. Voir PCM vs BMS si cette distinction compte pour votre cahier des charges.)

Transfert par condensateurs commutés

Une batterie de condensateurs fait naviguer la charge d'une cellule supérieure vers une cellule inférieure voisine, un cycle de commutation à la fois. C'est la moins chère à construire des trois approches actives : pas de composants magnétiques, surface de PCB modeste, logique de contrôle simple. Le compromis se situe au niveau de la vitesse sur une chaîne longue. La charge doit sauter de cellule en cellule pour parcourir une quelconque distance, de sorte que la redistribution de la charge sur une chaîne 12S ou 14S complète prend nettement plus de temps que l'équilibrage de deux cellules adjacentes.

Transfert par convertisseur inductif / CC-CC

Un convertisseur à base d'inductance (typiquement un étage bidirectionnel buck-boost) déplace la charge entre une cellule et un rail partagé, ou entre des paires de cellules adjacentes, de manière plus directe que le saut par condensateurs. Il comporte plus de composants que les condensateurs commutés (inductance, interrupteurs, boucle de contrôle) et davantage de surface de PCB, mais redistribue généralement la charge sur une chaîne plus longue plus rapidement, car il n'est pas limité à ne bouger qu'un saut à la fois.

Transfert par transformateur flyback

Un transformateur à enroulements multiples relie chaque prise de cellule de la chaîne à un enroulement commun, de sorte que la charge peut se déplacer de n'importe quelle cellule vers n'importe quelle autre via le transformateur plutôt que de sauter de cellule en cellule. C'est la plus riche en composants et généralement la plus coûteuse des trois : elle nécessite un transformateur correctement dimensionné pour le nombre total de cellules, et la conception du transformateur devient plus difficile, pas plus simple, à mesure que la chaîne s'allonge.

Rien de tout cela n'est une amélioration gratuite. Chaque topologie active ajoute des composants, et chaque composant ajouté est un point de défaillance potentiel, une ligne dans la nomenclature, et de la surface de PCB dont une conception passive plus légère n'aurait pas besoin. Les chiffres de rendement et de vitesse publiés par les fournisseurs pour ces topologies (régulièrement bien au-dessus de 90 % et, pour certaines conceptions, dans les hauts 90 %) décrivent des circuits de référence soigneusement testés, pas une garantie qu'une implémentation donnée les atteigne. Traitez les chiffres publiés comme une limite supérieure vers laquelle concevoir, pas une spécification à supposer acquise.

Comment le BMS décide quand équilibrer : contrôle basé sur le SOC vs basé sur la tension

Chaque circuit d'équilibrage, passif ou actif, a besoin d'un déclencheur. La plupart des conceptions utilisent une bande d'hystérésis : l'équilibrage démarre dès que la tension d'une cellule (ou son état de charge estimé) dépasse d'un seuil fixé la moyenne du pack, et s'arrête dès qu'elle retombe dans une bande plus étroite proche de la moyenne. L'écart entre les seuils de démarrage et d'arrêt existe pour que le circuit ne s'active pas et ne se désactive pas de façon intempestive autour d'une seule lecture bruitée.

Le problème est que la tension est un indicateur indirect de l'état de charge, et cet indicateur devient peu fiable précisément là où un BMS a le plus besoin de précision : au milieu de la plage de charge. Les chimies à courbe tension-SOC plate dans cette région (le LFP est le cas extrême bien connu en ingénierie des batteries en général, bien que chaque chimie en présente une certaine version) peuvent afficher presque la même tension sur une large plage d'états de charge réels. Un seuil basé sur la tension qui lit deux cellules comme « suffisamment proches » dans cette région plate peut en réalité observer des cellules qui diffèrent de dizaines de points de pourcentage en état de charge réel. Le contrôle basé sur le SOC, estimé par comptage coulombien ou par un modèle plutôt que par la seule tension, tient mieux dans cette région, au prix d'un calcul plus important et d'un calibrage initial plus soigné.

Dans tous les cas, l'algorithme de contrôle ne vaut que ce que valent ses lectures. La précision de l'équilibrage dépend du frontal analogique du BMS : résolution de la mesure de tension par cellule, et synchronisation de cette mesure sur toutes les cellules de la chaîne au même instant. Une boucle de contrôle dotée d'une stratégie de seuil bien conçue mais d'un frontal bruité ou mal synchronisé s'équilibrera à la résolution de sa pire mesure, pas à celle de son meilleur algorithme.

Le levier que les concurrents ignorent : tri et appariement des cellules au moment de la construction

Toute comparaison entre équilibrage actif et passif traite le déséquilibre comme quelque chose que le BMS doit corriger après coup. Le levier le plus puissant se situe en amont des deux : apparier les cellules par résistance interne et capacité au moment de la construction du pack, avant même qu'elles n'entrent dans une chaîne.

Un lot de cellules issu de la même production varie tout de même. Le tri répartit ce lot par résistance interne et capacité mesurées en classes étroites, de sorte que les cellules qui se retrouvent dans une même chaîne série partaient déjà plus proches les unes des autres qu'un lot non trié ne le permettrait. Cela réduit le déséquilibre que chaque méthode d'équilibrage doit corriger sur la durée de vie du pack. Cela n'élimine pas complètement le besoin d'équilibrage (les cellules dérivent tout de même avec l'usage, même appariées au départ), mais cela change la base de départ à partir de laquelle travaille le circuit d'équilibrage.

Un ensemble apparié de cellules cylindriques Molicel M65A, ou de cellules cylindriques Reliance RS60 (un format 21700 que Dan-Tech utilise également), triées dans une classe étroite de résistance interne avant assemblage, démarre la vie d'un pack avec moins de dispersion qu'un lot non trié des mêmes cellules ne le ferait. Molicel n'a pas publié de chiffre indépendant de durée de vie en cycles pour la M65A, ce chiffre n'est donc pas cité ici ; la pratique du tri reste pertinente quelle que soit la cellule à laquelle elle s'applique. Dan-Tech peut également construire autour de cellules qu'un client s'approvisionne et fournit déjà, en appliquant la même discipline de tri au propre lot de cellules d'un client, pas seulement aux cellules de son propre catalogue.

Choisir une stratégie d'équilibrage pour les cycles de service drones, robotique et industriels

Aucun des contenus comparatifs qui se classent sur ce sujet n'aborde les cycles de service qui définissent réellement l'ICP de Dan-Tech. Les packs pour drones, robotique et industrie ne ressemblent en rien aux profils VE ou solaires auxquels la plupart des contenus sur l'équilibrage se réfèrent par défaut.

Un pack de drone se décharge par rafales, fort courant pendant quelques minutes, puis repos, puis se recharge rapidement entre les vols, souvent sur le terrain plutôt qu'au banc. Un robot terrestre ajoute des vibrations continues et des chocs mécaniques à ce profil de décharge. Les deux applications sont généralement contraintes en poids et en surface de PCB d'une manière qu'une application stationnaire ne l'est jamais, ce qui fait de la masse et de l'espace de carte supplémentaires du matériel d'équilibrage actif un véritable coût de conception, pas une erreur d'arrondi.

Pour ce type de cycle de service, une stratégie hybride mérite d'être envisagée avant de se rabattre par défaut sur l'un ou l'autre extrême : équilibrage passif par le haut pendant la charge, quand le pack dispose de temps et d'une source d'alimentation stable, associé à une redistribution active pendant la décharge ou le repos, quand l'équilibrage passif ne peut absolument pas agir. Cette combinaison cible le coût de l'équilibrage actif précisément là où le passif ne peut réellement pas aider, au lieu de payer pour un équilibrage actif complet sur l'ensemble du cycle.

Le compromis thermique fonctionne à l'inverse de ce qu'il paraît sur le papier. La chaleur de dissipation passive est une charge réelle mais modeste et prévisible, concentrée à la charge. L'équilibrage actif échange cela contre des pertes de commutation et des perturbations électromagnétiques provenant du convertisseur ou de l'étage transformateur, réparties sur une plus grande partie du cycle de service, y compris précisément les rafales de décharge à fort courant où le reste du pack génère déjà de la chaleur. Aucun des deux n'est gratuit ; lequel est le plus tolérable dépend du budget thermique du boîtier et de la sensibilité électromagnétique de l'application.

Le pack Drone Series A, construit avec des cellules Samsung INR21700-50S ou Molicel INR21700-P50B, est évalué au niveau du pack à 1 000 cycles à 80 % de profondeur de décharge. Ce chiffre reflète la conception complète du pack, stratégie d'équilibrage incluse, pas la cellule seule ; c'est un repère utile de ce qu'une approche d'équilibrage bien spécifiée peut supporter dans un cycle de service réel de drone commercial, plutôt qu'un chiffre de laboratoire isolé.

Tout matériel d'équilibrage actif ajouté, davantage d'interrupteurs, davantage de composants magnétiques, ou un transformateur, ajoute également des composants qui entrent dans le périmètre de certification d'un projet comme tout le reste du pack. Ce périmètre se décide projet par projet, pas en le déduisant de la seule méthode d'équilibrage. Si une norme doit être citée à ce stade : Dan-Tech conçoit des packs destinés à répondre à CE, UN 38.3, RoHS et IEC 62133, selon ce que le projet spécifique exige réellement. Pour une vision plus complète de la certification, voir les certifications de packs de batteries en Europe.

Points de vigilance

• Supposer que l'actif l'emporte toujours. L'équilibrage actif n'est pas une amélioration systématique par rapport au passif. Si le cycle de service ne crée pas assez de déséquilibre pour que cela compte, le coût, le poids et les points de défaillance supplémentaires n'apportent rien.
• Sauter le tri des cellules et attendre de l'équilibrage qu'il corrige un pack mal apparié. L'équilibrage corrige la dérive ; il ne compense pas un lot qui partait déjà mal apparié avec un écart important.
• Ignorer la précision de la mesure de tension. Un algorithme de contrôle sophistiqué fonctionnant sur des lectures de tension bruitées ou non synchronisées s'équilibre à la qualité de la mesure, pas à la qualité de l'algorithme.
• Sous-estimer le coût en nomenclature, en PCB et en certification du matériel d'équilibrage actif. Chaque composant ajouté est une ligne budgétaire et un point de défaillance potentiel, pas une fonctionnalité gratuite.

Liste de vérification : que demander avant de spécifier un pack

• À quoi ressemble le cycle de service réel : contrainte principalement au stade de la charge, ou risque réel de déséquilibre pendant la décharge et le repos aussi ?
• Quel objectif de nombre de cycles l'application doit-elle atteindre, et à quelle profondeur de décharge ?
• Quel budget de poids et de surface de PCB est réellement disponible pour le matériel d'équilibrage ?
• Le risque de déséquilibre se concentre-t-il uniquement à la charge, ou sur l'ensemble du cycle ?
• Quel périmètre de certification ce projet nécessite-t-il, et le matériel d'équilibrage actif ajouté modifie-t-il ce périmètre ?
• Le lot de cellules a-t-il été trié par résistance interne et capacité avant construction, ou demande-t-on à l'équilibrage de faire ce travail seul ?

Si vous spécifiez l'ensemble du BMS plutôt que la seule stratégie d'équilibrage, ce qu'il faut spécifier dans un BMS sur mesure couvre les connecteurs, le protocole de communication et la conception thermique aux côtés de l'équilibrage. Pour des options de pack spécifiques aux drones construites autour de ces mêmes décisions d'équilibrage, voir les packs de batteries pour drones et UAV de Dan-Tech.

FAQ

Quelle est la différence réelle entre l'équilibrage actif et passif des cellules ?

L'équilibrage passif fait redescendre les cellules à tension plus élevée d'une chaîne à travers une résistance pendant la charge, dissipant l'excédent sous forme de chaleur. L'équilibrage actif déplace la charge entre les cellules au lieu de la brûler, via un circuit à condensateurs commutés, inductif/CC-CC, ou à transformateur flyback, et peut agir pendant la charge, la décharge ou le repos plutôt qu'à la charge uniquement.

L'équilibrage actif prolonge-t-il réellement la durée de vie d'un pack de batteries ?

Seulement si le facteur limitant réel du pack est d'abord le déséquilibre des cellules. Si les cellules ont été mal triées et appariées à la construction, l'équilibrage actif aide davantage que ne le ferait le passif. Si les cellules étaient bien appariées dès le départ, le gain de durée de vie apporté par le passage à l'équilibrage actif est faible, car il reste peu de déséquilibre à corriger.

L'équilibrage actif en vaut-il la peine pour un pack de batterie de drone ?

Cela dépend du cycle de service, pas d'une règle générale. Une approche hybride, équilibrage passif pendant la charge associé à une redistribution active pendant la décharge ou le repos, correspond souvent mieux aux cycles de service des drones et de la robotique que de s'engager entièrement sur l'un ou l'autre extrême, compte tenu des contraintes de poids et de surface de PCB de ces applications.

L'équilibrage passif peut-il fonctionner pour une application à nombre de cycles élevé ?

Oui, s'il est associé à un bon tri des cellules à la construction et si le risque de déséquilibre de l'application se concentre à la charge plutôt que réparti sur la décharge et le repos. L'équilibrage passif seul, sur un lot de cellules mal apparié, aura du mal à suivre un objectif à cycles élevés et tolérances serrées.

Quel niveau de déséquilibre de tension entre cellules compte réellement ?

Il n'existe pas de seuil universel unique ; cela dépend de la courbe tension-SOC de la chimie et de la propre tolérance du pack à la perte de capacité. Ce qui compte plus qu'un chiffre isolé, c'est que l'écart s'accumule cycle après cycle s'il n'est pas corrigé, par l'effet de la cellule la plus faible décrit plus haut.

Prêt à intégrer l'équilibrage dans la construction d'un pack sur mesure ? Dan-Tech Energy, fabricant de packs de batteries Li-ion sur mesure avec une production en Allemagne et aux États-Unis, intègre des stratégies d'équilibrage actif et passif dans les packs pour drones, robotique et industrie afin de correspondre au cycle de service réel. Spécifiez les besoins d'équilibrage de votre pack via la ToolBox de Dan-Tech, ou parcourez le catalogue de packs de batteries Lithium-Ion pour voir comment la stratégie d'équilibrage est appliquée aux familles de packs existantes de Dan-Tech.