Batteries : les « cellules intelligentes » transcendent les BMS

La demande en batteries plus performantes pousse à repenser les systèmes de gestion BMS. Joel Sylvester, directeur technique de l’entreprise écossaise Dukosi, souligne que les architectures actuelles, basées sur des modules câblés, limitent flexibilité et évolutivité. Selon lui, une approche par « cellules intelligentes », avec surveillance intégrée, améliore performances, sécurité et traçabilité des batteries.

Par Joel Sylvester, directeur technique de Dukosi

La demande pour des systèmes de batteries plus performants, plus sûrs et plus rentables augmente dans les véhicules électriques, le stockage d’énergie à grande échelle et l’électrification des véhicules industriels. Pourtant, la plupart des systèmes de gestion de batteries (BMS) reposent encore sur des architectures câblées qui surveillent des groupes de cellules organisées en modules, plutôt que de traiter les cellules individuellement. Cette approche limite la flexibilité et complique la mise à l’échelle. L’intégration de fonctions de surveillance et d’intelligence directement sur chaque cellule – créant ainsi des « cellules intelligentes » – constitue une alternative performante qui peut améliorer les performances, la sécurité et la traçabilité des batteries tout au long de la chaîne d’approvisionnement, représentant une avancée fondamentale dans la conception des batteries.

Pourquoi exploiter des cellules intelligentes ?

Dans les systèmes de batteries utilisés pour des applications telles que les véhicules électriques (xEV) et les systèmes de stockage d’énergie par batterie (BESS), les cellules sont traditionnellement regroupées en modules, chaque module étant surveillé par un contrôleur multicellulaire qui transmet les mesures agrégées au système de gestion de batterie (BMS). Bien que pratique, cette architecture limite la visibilité directe pour le BMS, restreint la flexibilité de conception et peut introduire de la latence et des erreurs de mesure en raison du câblage complexe et des longueurs variables des trajets de communication.

En revanche, en intégrant des fonctions de détection directement dans chaque cellule, les cellules intelligentes permettent la mesure directe de paramètres critiques tels que la tension, le courant, la température, voire la pression ou les gaz. En appliquant la même conception à chaque cellule, les longueurs courtes et uniformes des conducteurs de détection réduisent les effets parasites et le bruit électrique susceptibles d’affecter la fidélité du signal, améliorant ainsi la précision et la cohérence des mesures.

La sécurité est un autre facteur clé : grâce à une visibilité complète et cohérente au niveau des cellules, les systèmes peuvent détecter les anomalies plus tôt, réduisant ainsi le risque de défaillances en cascade ou d’emballement thermique. Les cellules intelligentes peuvent également intégrer la fonction d’équilibrage passif, puisque le courant d’équilibrage n’a pas besoin de circuler par les mêmes connexions que celles utilisées pour les mesures. Ceci élimine les chutes de tension sources d’erreurs de mesure. La dissipation thermique liée à l’équilibrage est répartie sur l’ensemble du pack, supprimant ainsi les limitations concernant le nombre de cellules pouvant être équilibrées simultanément. Cette visibilité fine permet une action de protection plus rapide, des algorithmes de gestion de batterie (BMS) plus précis et un équilibrage plus efficace, contribuant ainsi à un fonctionnement des batteries plus sûr et plus robuste.

Les cellules intelligentes améliorent également la flexibilité architecturale. Contrairement aux systèmes modulaires, les architectures cellulaires ne sont pas limitées à des regroupements fixes de cellules, ce qui simplifie l’itération de conception et permet des configurations plus adaptées aux applications. Ceci est particulièrement précieux pour les plateformes de véhicules industriels où des conceptions sur mesure exigent des solutions de batteries adaptées.

Les performances du système sont également améliorées grâce au prétraitement des mesures directement au niveau de la cellule, déchargeant ainsi le système de gestion de batterie central. Avec des capacités de traitement et de mémoire intégrées au niveau de la cellule, les cellules intelligentes peuvent stocker des données opérationnelles détaillées, permettant des diagnostics avancés, le suivi des performances, de l’état de santé, de la sécurité et la conformité aux réglementations internationales. En stockant des informations clés telles que l’état de santé, les données de production et d’utilisation, ainsi que la composition, les cellules intelligentes contribuent à créer un écosystème de batteries plus intelligent et plus adaptable, favorisant la circularité par la réutilisation avant le recyclage final.

Cette intelligence au niveau de la cellule autorise également une meilleure utilisation de l’énergie. Des données précises, synchronisées et en temps réel améliorent les estimations de l’état de charge (SoC) et de l’état de santé (SoH), permettant ainsi d’exploiter davantage d’énergie utilisable et de réduire les marges de conception excessives. Même de faibles gains peuvent se traduire par des améliorations significatives pour les grandes batteries, offrant ainsi des performances accrues ou un coût réduit.

Pour résumer, les cellules intelligentes représentent un nouveau paradigme de conception. À mesure que les systèmes de batteries évoluent et se diversifient, les limites des architectures existantes deviennent plus marquées, faisant des cellules intelligentes une base convaincante pour les conceptions de nouvelle génération.

Surmonter les défis liés à la mise en œuvre d’une architecture de « cellules intelligentes »

Bien que les avantages des cellules intelligentes soient indéniables, leur mise en œuvre à grande échelle est loin d’être simple. La décentralisation de l’intelligence au niveau de chaque cellule peut, par nature, engendrer une plus grande complexité du système. Sans une ingénierie rigoureuse, l’intégration de l’électronique au niveau de la cellule peut augmenter les coûts, ajouter des points de défaillance et compliquer la conception thermique et mécanique, compromettant ainsi les avantages que les cellules intelligentes visent à offrir.

Les principaux défis techniques et pratiques sont les suivants :

• Communication fiable à grande échelle : La capture des données de manière synchrone sur des centaines de cellules, plusieurs fois par seconde et avec une latence maîtrisée, est extrêmement complexe, notamment dans les environnements à haute tension et électromagnétiquement bruyants tels que les véhicules électriques et les systèmes de stockage d’énergie par batteries. Les systèmes traditionnels reposent sur des modules multicellulaires connectés par des réseaux câblés complexes, utilisant souvent des interfaces analogiques (AFE) qui nécessitent un câble distinct pour chaque paramètre et sont limités à une taille de module fixe. Cette approche introduit de la latence, restreint la flexibilité de conception du pack de la batterie et expose les composants aux transitoires de haute tension.
• Complexité de la fabrication : Sans une intégration système appropriée les cellules intelligentes risquent d’augmenter les étapes de fabrication ou d’introduire de nouveaux défis d’assemblage et de test qui annulent leur simplicité recherchée.
• Défis de packaging : L’utilisation d’architectures câblées pour fournir des informations au niveau cellulaire peut entraîner des difficultés de conditionnement du système et une augmentation significative du nombre de composants de la nomenclature (BOM).
• Gestion des données du cycle de vie : Le stockage au niveau cellulaire des données opérationnelles et de traçabilité nécessite une mémoire intégrée, une sécurité du firmware et une conservation des données à long terme qui doivent être fiables tout au long de la durée de vie de la cellule, y compris lors d’une seconde utilisation (second life) ou d’un recyclage.
• Contraintes énergétiques et de puissance : Les composants électroniques doivent fonctionner avec une consommation d’énergie minimale prélevée sur la cellule elle-même, sans dégrader sa durée de conservation ni affecter les performances globales de la batterie.

La mise en œuvre de cellules intelligentes ne consiste pas simplement à adapter une architecture câblée à l’échelle cellulaire ; elle exige une approche entièrement nouvelle de la conception des réseaux de batteries. En repensant la manière dont les cellules communiquent, stockent et traitent l’information, les architectures de nouvelle génération peuvent surmonter ces obstacles. Un exemple est le Dukosi Cell Monitoring System (DKCMS): il démontre comment les cellules intelligentes peuvent être mises en œuvre sans compromis, ouvrant la voie à un avenir où les batteries seront plus sûres, plus efficaces et plus intelligentes.

Une réponse sans compromis : le système de surveillance cellulaire de Dukosi

Au cœur du potentiel des cellules intelligentes se trouve une question d’ingénierie fondamentale : comment déployer l’intelligence de manière fiable dans chaque cellule d’une batterie sans introduire de complexité, de surcoût ou de surcharge de conception supplémentaires ? C’est précisément pour résoudre ce problème que Dukosi a conçu le DKCMS.

Au lieu de s’appuyer sur les méthodes filaires ou sans fil traditionnelles, le DKCMS assure une communication robuste au sein de la batterie grâce à une simple antenne bus en champ proche sans contact. Chaque cellule est équipée d’un circuit intégré de surveillance dédié, le DK8102, qui intègre un étage d’entrée analogique (AFE) de haute précision, un traitement numérique du signal, un microcontrôleur, une mémoire, un capteur de température et un émetteur-récepteur de champ proche. Ce dispositif mesure la tension et la température directement au niveau de la cellule, traite les données localement et les transmet via le protocole de communication propriétaire C-SynQ au concentrateur système DK8202.

Ce concentrateur (Hub) unique, généralement intégré au même circuit imprimé que l’hôte du BMS, coordonne la capture et la communication des données au sein de la batterie. En intégrant l’intelligence au niveau des cellules et en supprimant le câblage conventionnel entre les cellules ou les modules, le DKCMS représente une avancée majeure en termes de simplicité, de performance et de liberté de conception, exploitant pleinement le potentiel des cellules intelligentes.

Les avantages du DKCMS sont les suivants :

Communication sans contact
Le DKCMS remplace les faisceaux de câbles complexes et peu fiables par une antenne discrète formant un réseau logique en étoile avec chaque cellule intelligente. Ce réseau de proximité ne nécessite aucune connexion physique à chaque cellule, simplifiant considérablement l’intégration des batteries et améliorant leur robustesse mécanique. Il en résulte une conception plus élégante et évolutive, capable de supporter un grand nombre de cellules et des configurations de batteries non conventionnelles, sans nécessiter de modules ni de re-certification lors de modifications de conception.

Fonctionnement déterministe et robuste
Le protocole de communication propriétaire C-SynQ permet une communication déterministe et synchrone sur un réseau pouvant comporter jusqu’à 216 cellules par antenne. Chaque cellule capture et transmet des données simultanément sous la gestion du concentrateur système, garantissant une latence uniforme et une disponibilité constante des données pour le BMS – un élément essentiel pour le contrôle en temps réel et la sécurité. De plus, le DKCMS a été validé de manière indépendante selon les normes CEM automobiles les plus strictes.

Conception de batterie évolutive et flexible
Les modules de batteries traditionnels imposent des tailles de groupe fixes et des schémas de câblage complexes qui limitent l’agencement des packs et ralentissent l’itération de conception. Le DKCMS lève ces contraintes. Les concepteurs peuvent ajouter ou retirer des cellules individuelles selon les besoins, permettant ainsi des configurations sur mesure et des intégrations cellule-pack et cellule-châssis flexibles.

L’architecture du système prend également en charge l’extension via plusieurs concentrateurs système et réseaux de cellules, permettant la création de packs de grande capacité sans compromettre les performances ni l’intégrité de la communication. Cette flexibilité permet aux développeurs de batteries d’itérer plus rapidement, de s’adapter aux évolutions des formats et de répondre plus facilement aux exigences du marché et aux normes réglementaires.

Fonctionnement plus sûr et plus efficace
Le DKCMS permet aux cellules intelligentes de fonctionner indépendamment. Chaque moniteur de cellule effectue l’équilibrage des cellules avec une précision de mesure et une surveillance continue pendant l’opération.

Ceci contraste avec les modules multicellulaires, où l’équilibrage de plusieurs cellules peut engendrer des contraintes thermiques et compromettre la sécurité. En permettant une mesure précise et en temps réel de la tension et de la température de chaque cellule, le DKCMS améliore le diagnostic, la sécurité de la charge et la gestion thermique. La précision du DKCMS contribue également à une meilleure estimation de l’état de charge (SoC) et de l’état de santé (SoH), réduisant ainsi le besoin de marges de sécurité et optimisant l’énergie utilisable par cellule.

Amélioration de l’intelligence en matière de fabrication et de cycle de vie
Les cellules intelligentes construites avec le DKCMS offrent des avantages tout au long du cycle de vie de la batterie. L’intégration d’une puce de surveillance des cellules Cell Monitor lors de leur fabrication permet un autocontrôle immédiat de la tension et de la température dès la mise en service. De plus, lors des tests, la communication sans contact réduit le besoin de mesures directes, améliorant ainsi le rendement, le débit et l’usure des équipements.

Tout au long de son cycle de vie, chaque cellule conserve son propre historique opérationnel, garantissant la traçabilité, la validation de la garantie et le déploiement en seconde vie. Ces informations constituent un « passeport de cellule » autonome, intégré à la cellule, pouvant inclure des données de fabrication, l’historique d’utilisation et des indicateurs d’état – des données précieuses pour les stratégies d’économie circulaire et la conformité réglementaire.

Préparer l’avenir de l’électrification

Face à l’accélération de la demande d’électrification dans les secteurs de l’automobile, des réseaux électriques et des véhicules industriels, les architectures de batteries doivent évoluer pour répondre aux nouvelles exigences en matière de sécurité, de performance, de flexibilité, d’évolutivité et de gestion du cycle de vie. Les conceptions modulaires traditionnelles, bien que matures et largement déployées, sont de plus en plus limitées dans leur capacité à répondre aux besoins divers et dynamiques des plateformes de nouvelle génération. Les cellules intelligentes offrent une alternative révolutionnaire en intégrant l’intelligence au niveau de la cellule, permettant ainsi une amélioration significative de la visibilité, du contrôle et de l’adaptabilité. Cependant, la réussite des cellules intelligentes dépend de la résolution d’importants défis d’ingénierie persistants.

L’architecture du DKCMS de Dukosi représente une solution complète qui combine une communication fiable sans contact en champ proche, une transmission de données déterministe et un circuit intégré de surveillance hautement intégré pour exploiter pleinement les avantages des cellules intelligentes sans les inconvénients du câblage traditionnel ni de la complexité modulaire. Alors que les pressions réglementaires se durcissent et que les exigences du marché continuent d’évoluer, les développeurs de batteries auront besoin d’architectures alliant sophistication technique et évolutivité pratique. Les cellules intelligentes basées sur le DKCMS répondent précisément à ces besoins.