Les systèmes de gestion des batteries (BMS) sont la pierre angulaire de la sécurité des véhicules électriques modernes et du stockage de l'énergie. Ils surveillent la tension des cellules, régulent la charge et la décharge, équilibrent les charges des cellules et empêchent les batteries de fonctionner en dehors des plages de température sûres. Pour la majeure partie de l'industrie, le système de gestion de la batterie est le gardien de la batterie, la dernière ligne de défense contre une défaillance catastrophique.

Cependant, de plus en plus d'éléments suggèrent que le BMS conventionnel, malgré toute sa sophistication, présente des zones d'ombre critiques. Il ne peut pas détecter les premiers signes d'emballement thermique, ni l'humidité qui s'accumule à l'intérieur d'une batterie, ni enregistrer la charge de choc absorbée par une batterie en cas de collision.

Ce sont ces lacunes qui, dans des conditions réelles, permettent aux incendies de batterie de passer inaperçus jusqu'à ce qu'ils soient déjà désastreux, et qui laissent les ingénieurs, les opérateurs de flotte et les assureurs sans les données dont ils ont besoin pour prendre des décisions éclairées sur l'état de la batterie. Il est essentiel pour toute personne qui conçoit ou exploite des batteries lithium-ion aujourd'hui de comprendre les lacunes des systèmes de gestion de batterie conventionnels et ce qu'il faut faire pour y remédier.

Qu'est-ce qu'un système de gestion de la batterie ?

Un système de gestion de la batterie est un système de contrôle électronique intégré dans une batterie. Ses principales fonctions sont de mesurer et de signaler la tension et la température au niveau des cellules, d'empêcher la surcharge ou la décharge excessive des cellules, d'équilibrer l'état de charge des différentes cellules et de fournir une estimation globale de l'état de charge (SoC) et de l'état de santé (SoH) au véhicule ou au système hôte.

Dans un véhicule électrique moderne, le système de gestion de la batterie communique via un bus CAN, transmettant des données au contrôleur du groupe motopropulseur du véhicule et, dans de nombreuses applications, à des systèmes télématiques en nuage. Il s'agit d'une technologie mature et bien comprise. La plupart des cadres réglementaires relatifs à la sécurité des véhicules électriques considèrent le système de gestion de la batterie comme une donnée.

Le problème n'est pas que les systèmes de gestion des batteries sont mal conçus. Le problème est qu'ils ont été conçus autour d'un ensemble relativement étroit de paramètres mesurables, à savoir la tension et la température. Malheureusement, la tension et la température ne permettent pas à elles seules de savoir ce qui se passe à l'intérieur d'une batterie.

Les limites des systèmes conventionnels de gestion des batteries

Surveillance éparse de la température

La plupart des architectures de systèmes de gestion de batteries placent des capteurs de température à intervalles réguliers dans le pack, généralement un capteur par module, voire un par plusieurs cellules. Cela signifie qu'une cellule anormale située entre deux points de capteur peut subir une augmentation de température significative avant qu'une mesure ne la saisisse. Dans un module lithium-ion très dense, la distance entre une cellule défectueuse et le capteur de température le plus proche peut être suffisante pour permettre à un événement thermique de se développer sans être détecté.

Masquage de la tension

La détection d'une dégradation précoce des cellules par des mesures de tension est intrinsèquement difficile dans les configurations de cellules parallèles. Lorsqu'une cellule d'un groupe parallèle commence à tomber en panne, les cellules restantes soutiennent la tension terminale du groupe dans son ensemble, masquant ainsi l'anomalie. Lorsqu'un écart de tension devient visible pour le système de gestion de la batterie, la cellule défaillante peut déjà être dans un état de dégradation avancé. En fait, le système de gestion de la batterie peut être trompé par l'architecture même de la batterie qu'il protège.

Pas de détection de gaz

L'une des limites les plus importantes des systèmes conventionnels de gestion des batteries est qu'ils n'ont aucun moyen de détecter les gaz émis par les cellules des batteries lorsqu'elles commencent à se dégazer. La mise à l'air libre des cellules, parfois appelée dégagement gazeux, est le premier signe observable d'un emballement thermique. Dans les minutes qui précèdent le moment où une cellule atteint les températures qui déclenchent un incendie ou une explosion, elle libère des composés organiques volatils (COV) et, dans certains scénarios de défaillance, de l'hydrogène. Ces gaz sont mesurables et identifiables. Un système de gestion de batterie conventionnel ne peut pas les mesurer.

Des tests indépendants réalisés par les Sandia National Laboratories ont montré que la détection des COV peut fournir plus de sept minutes d'avertissement avant un emballement thermique, une fenêtre que les capteurs de température seuls ne peuvent tout simplement pas offrir.

Cette fenêtre de sept minutes est d'une importance capitale. Elle fait la différence entre un arrêt contrôlé du système, une évacuation sûre du véhicule ou une isolation du circuit et un incendie qui ne peut être arrêté. Le règlement technique mondial sur la sécurité des véhicules électriques (GTR20) traite spécifiquement de la nécessité de disposer de systèmes d'alerte rapide permettant l'évacuation en toute sécurité des occupants. Un système de gestion de la batterie basé uniquement sur la température ne peut pas répondre de manière fiable à cette exigence.

Pas de contrôle de l'humidité

Les infiltrations d'eau constituent une menace sérieuse pour la longévité et la sécurité des batteries. L'humidité à l'intérieur d'un pack compromet l'isolation des cellules, favorise la corrosion et augmente le risque de court-circuit. Dans les batteries refroidies par liquide, de la condensation peut se former sur les composants internes lorsque la température du liquide de refroidissement tombe en dessous du point de rosée de l'air à l'intérieur du boîtier, un scénario particulièrement probable lors des démarrages à froid ou après des cycles de refroidissement agressifs. Les systèmes conventionnels de gestion des batteries n'ont aucun moyen de détecter l'humidité ou de suivre le point de rosée, ce qui fait que ce mode de défaillance n'est absolument pas surveillé.

Pas d'enregistrement d'impact ou de choc

Lorsqu'un véhicule électrique est impliqué dans une collision, l'intégrité mécanique de la batterie est immédiatement remise en question. Les systèmes actuels de gestion de la batterie ne fournissent aucune information sur les chocs subis par la batterie. Les ingénieurs chargés d'évaluer l'état de la batterie après l'incident doivent s'appuyer sur une inspection visuelle et, le cas échéant, sur les données télémétriques du véhicule, qui ne permettent pas de savoir avec certitude si la structure interne de la batterie a été compromise. Sans ces données, les options sont limitées : mettre la batterie au rebut ou accepter un risque inconnu.

Les risques créés par ces lacunes

Prises individuellement, chacune de ces limites des systèmes de gestion des batteries représente une lacune en matière de surveillance. Prises ensemble, elles représentent une vulnérabilité systémique dans l'architecture de sécurité des batteries lithium-ion, qui a des conséquences réelles pour les fabricants de VE, les exploitants de flottes, les intégrateurs de batteries de seconde vie et les utilisateurs finaux.

Les emballements thermiques des véhicules électriques font l'objet d'une attention médiatique disproportionnée par rapport à leur fréquence statistique. Mais l'impact de cette attention sur l'adoption des VE est mesurable. Chaque incendie de batterie très médiatisé renforce le scepticisme du public à l'égard de la sécurité des véhicules électriques. La capacité de l'industrie à démontrer que les événements thermiques sont détectables avant qu'ils ne deviennent catastrophiques et que les données existent pour réagir de manière appropriée n'est pas simplement une question technique. Il s'agit d'une question commerciale et de réputation.

Pour le marché en pleine expansion des batteries de seconde vie, les lacunes sont tout aussi importantes. Une batterie de véhicule électrique destinée à être réutilisée dans un système de stockage d'énergie stationnaire a un historique inconnu. Sans un registre détaillé des chocs qu'elle a absorbés, des conditions d'humidité dans lesquelles elle a fonctionné et des événements thermiques (même mineurs) qu'elle a pu subir, le profil de risque de cette batterie relève en grande partie de la conjecture. Cela crée des hésitations dans la chaîne d'approvisionnement et limite la viabilité économique des modèles de batteries circulaires.

Combler les lacunes : Le rôle de la garde cellulaire

Le capteur Cell Guard de Metis Engineering a été développé spécifiquement pour résoudre les problèmes de surveillance que les systèmes conventionnels de gestion de la batterie laissent ouverts. Plutôt que de remplacer le système de gestion de la batterie, Cell Guard fonctionne en parallèle et fournit une couche complémentaire de données environnementales et physiques que les mesures de tension et de température ne peuvent pas fournir à elles seules.

Cell Guard est un capteur CAN compact conçu pour être installé près de l'orifice d'aération d'un bloc-batterie ou d'une enceinte de stockage d'énergie. Depuis cette position, il surveille en permanence les composés organiques volatils (COV), la pression absolue, la température de l'air, l'humidité relative, le point de rosée et, dans sa configuration élargie, la concentration d'hydrogène. Un accéléromètre à trois axes en option permet d'enregistrer les chocs jusqu'à 24 G, y compris l'ampleur et la durée de l'impact.

Chacun de ces paramètres comble directement une lacune spécifique dans les capacités des systèmes conventionnels de gestion des batteries. La détection des COV permet d'être averti le plus tôt possible de l'éventement d'une cellule et de déclencher une alerte alors qu'il est encore possible d'éviter l'emballement thermique. La surveillance de l'humidité et du point de rosée signale les infiltrations d'humidité et le risque de condensation auquel sont confrontées les batteries refroidies par liquide. Les données relatives aux chocs fournissent un enregistrement vérifiable des contraintes mécaniques subies par la batterie, une information précieuse pour l'évaluation après incident, la revente de la batterie et les décisions de reconversion.

Cell Guard a détecté un emballement thermique en moins de 60 secondes lors d'essais indépendants et a fourni des données d'alerte exploitables plus de sept minutes avant les technologies de capteurs concurrentes utilisant uniquement la détection de l'hydrogène.

Cette validation indépendante, menée par Sandia National Laboratories et publiée dans le Journal of the Electrochemical Society, confirme ce que Metis Engineering a conçu Cell Guard pour démontrer, à savoir que la détection des COV est une méthode d'alerte précoce nettement plus efficace que la détection de l'hydrogène, précisément parce que les COV sont émis pendant la phase de dégazage de la cellule, avant la production d'hydrogène, et bien avant que les températures n'atteignent le seuil d'une défaillance désastreuse.

Cell Guard est également conçu pour une intégration pratique. Sa vitesse et son adresse de bus CAN configurables, son connecteur Molex Nano-Fit et son format compact lui permettent d'être installé dans de nouveaux blocs-batteries ou dans des architectures existantes sans perturber la conception du bloc-batterie ou le flux d'air. Il fonctionne en mode de surveillance à faible consommation, ne transmettant sur le bus CAN que lorsqu'un seuil prédéfini est dépassé, ce qui minimise l'absorption parasite tout en garantissant que les alertes sont générées sans délai lorsqu'elles sont importantes.

Applications tout au long du cycle de vie de la batterie

Les cas d'utilisation de Cell Guard couvrent l'ensemble du cycle de vie des batteries, de la première installation au déploiement en seconde vie. Dans les véhicules électriques, y compris les voitures particulières, les bus commerciaux, les avions eVTOL, les navires et les plates-formes de micromobilité, Cell Guard fournit la capacité d'alerte précoce qui permet une évacuation en toute sécurité et un arrêt contrôlé du système avant que l'emballement thermique ne se produise.

Dans les systèmes de stockage d'énergie stationnaires, qu'ils soient à l'échelle du réseau, commerciaux ou résidentiels, Cell Guard assure une surveillance environnementale continue dans les installations à température variable où les conséquences d'une accumulation d'humidité ou de gaz non détectée sont tout aussi graves.

Pour le marché des batteries de seconde vie, les données de l'accéléromètre et les enregistrements environnementaux que Cell Guard accumule tout au long de la vie opérationnelle d'une batterie sont directement pertinents pour le concept émergent du passeport de la batterie, un enregistrement traçable et vérifiable de l'état de la batterie qui sous-tend des décisions de réaffectation et de revente en toute confiance. Allye Energy, qui intègre des batteries de VE réutilisées dans des systèmes de stockage d'énergie à l'échelle du réseau, a déployé Cell Guard avec accéléromètre précisément pour répondre à cette exigence.

Cell Guard est testé et certifié selon les normes automobiles ISO, notamment ISO7637-2, ISO16750-2 et ISO16750-4, et est assemblé au Royaume-Uni dans des conditions de qualité certifiées ISO9001. Il est actuellement déployé dans des applications ASIL B dans le cadre d'une série de programmes OEM et Tier 1.

Une image plus complète de la santé des batteries

Les systèmes de gestion de la batterie sont un élément indispensable de l'architecture de sécurité des VE et des ESS. Toutefois, l'hypothèse selon laquelle un système de gestion de batterie suffit à protéger un bloc-batterie lithium-ion contre tous les modes de défaillance prévisibles n'est plus tenable, compte tenu de ce que nous savons de la progression de l'emballement thermique, des dommages causés par l'humidité et de l'accumulation des contraintes mécaniques au cours de la durée de vie d'une batterie.

Cell Guard ne remplace pas le système de gestion de la batterie. Il s'agit d'une couche complémentaire qui comble les lacunes que les systèmes de gestion de la batterie ne peuvent pas combler. Il fournit aux ingénieurs, aux opérateurs de flotte et aux intégrateurs de systèmes les données dont ils ont besoin pour détecter les problèmes plus tôt, réagir plus rapidement et prendre des décisions mieux informées sur l'état de la batterie, de sa fabrication jusqu'à sa fin de vie.

Pour les organisations qui conçoivent ou exploitent des systèmes de batteries lithium-ion, la question n'est plus de savoir si une surveillance supplémentaire est nécessaire. Il s'agit de savoir quels paramètres surveiller et comment intégrer cette capacité le plus efficacement possible dans l'architecture d'un système existant. Cell Guard répond à ces deux questions.

En savoir plus

Pour en savoir plus sur Cell Guard ou pour demander un échantillon du produit, visitez le site Cell Guard - Metis Engineering ou contactez l'équipe d'ingénierie de Metis à l'adresse suivante info@metisengineering.com