Et pourquoi ça, un BMS?

Justement pour désamorcer la bombe.

Si vous ne connaissez pas le fonctionnement d'une batterie lithium, il est conseillé de faire un tour vers cet article: batteries lithium, introduction. Il vous permettra de mieux aborder la tartine qui suit avec, peut-être, plus de sérénité. Si vous avez déjà lu l'article sur les lithium, vous savez  déjà ce signifie BMS.


Chaque cellule lithium possède un seuil haut et bas (qui varie en fonction du type de Li, et du constructeur) qu'il ne faut jamais dépasser, sous peine de détérioration plus ou moins importante, mais dans tous les cas, irréversible. Cela va de l'explosion (pour certains types de lithium), à la simple perte de capacité.
Bien que dans notre cas les lifeypo4 ne soient pas sensées exploser avec fracas, il faut néanmoins les protéger, ne serait-ce que pour optimiser leur durée de vie. Ceci était déjà vrai avec les accus Pb, NiCa et NiMh. Il existe de nombreux modèles de BMS, dont la plus part sont propriétaires, et adaptés à tel ou tel type de lithium.
Peu importe le BMS, le principe reste le même, réguler et protéger chaque cellule avec plus ou moins de bonheur. Entendez par là : + ou – de sécurité(s).

Certains préconisent de régler un régulateur de charge ou un chargeur sur la fonction "batterie gel"(si elle existe), pour recharger des batteries lithium. Cela est peut-être vrai pour des batteries pré-assemblées (il faudrait vérifier), probablement pour celles qui possèdent un BMS intégré, ou pour certaines technologies (encore une fois, il faudrait vérifier).
D'autres considèrent que l'écart entre cellules ne varie que très peu au fil du temps, et que l'on peut se passer de BMS. Ils ont peut-être raison au sujet de la différence de tension entre cellules. Mais tout de même, c'est un peu marcher le long d'une falaise avec les yeux bandés. Il y a quand même la possibilité de la défaillance d'une cellule, pour telle ou telle raison, ce qui met en péril la vie des autres si ce problème n'est pas détecté. Qui d'autre qu'un BMS peut s'en rendre compte ? A moins que vous n'ayez rien d'autre à faire que de tester, jour et nuit chaque cellule de votre pack avec un voltmètre. D'autre part, cela ne répond pas à la question : Quand arrêter la décharge ? Et de préférence, d'une manière automatique.
Il est donc impératif de savoir à quoi nous avons à faire. Nouvelle technologie qui se dispense de BMS ? Ne pas croire le vendeur sur parole, qui, lui même, ne maîtrise peut-être pas le sujet (histoire vécue). BMS intégré ? Si vous assemblez vous-même vos cellules, la question ne se pose pas, BMS obligatoire. Non seulement vous pourrez dormir tranquille, mais en plus il vous permettra de connaître la vie intime de vos cellules ; Enfin, celles de votre batterie...

Le Principe du BMS.

Maintenant que nous savons à quel type de lithium et à quelle technologie de batterie nous avons à faire, entrons dans les détails du BMS pour lui appliquer les caractéristiques de nos lithium,
Le principe, comme nous l'avons déjà aperçu, est à priori le même pour tous. Nous allons utiliser le BMS de 123electric pour approfondir le sujet,  parce ce BMS est "dépouillé", et qu'il est à bord.

Je parts du postulat suivant: "plus la technologie embarquée est simple, plus elle est fiable, et plus elle est facile à dépanner" (plus elle est simple à expliquer dans le cas d'un BMS). Le prix de revient s'en ressent souvent, et c'est le cas de ce BMS très abordable. Il existe des solutions toutes faites, mais pas au même prix. Cela peut s'expliquer (parfois, peut-être ?) par leur complexité. Celle-ci peut-être un avantage, sécurités redondantes (un peu comme dans un avion). Mais attention à ne pas tomber dans l'excès. N'oublions pas que nous sommes en mer, parfois à mille lieues, ou milles marin de toute aide. Dans cette situation il n'y a pas pire qu'un écran qui vous signale un défaut, accompagné d'une série de bips stridents très agaçants, et qui n'en finissent pas, sans pour autant vous préciser quel est le problème. Bien sûr, il a coupé toutes les fonctions, pour des raisons de sécurité, sauf celles de l'écran et du buzzer qui continue à biper. C'est ballot, alors que vous croisez la route d'un es cargo, pas si lent que ça en définitive, mais très gros. Alors que votre moteur est en drapeau grâce au BMS qui a décidé, peut-être à juste titre, de préserver les cellules. À la fois, si elles finissent par 5000 mètres de fond, elles ne serviront plus à grand chose, mais au moins, on n'entendra plus le bip.
Il est parfois intéressant de mettre les mains dans le cambouis, cela donne l'avantage de connaître le sujet, voire de le maîtriser, et de pouvoir se dépanner soi-même. Notez que ce BMS a été développé à l'origine pour les voitures électriques, et parfois, il ne s'adapte pas toujours exactement aux besoins d'une configuration... "navale". Mais ils étudient les moyens d'élargir le champ d'application de leur BMS.

Tout d'abord, il faut réapprendre à penser batterie. Nous avons l'habitude de ne tenir compte que de la tension de sortie de l'ensemble. Maintenant, il faut penser à chaque individu qui fourni sa part de travail, ainsi qu'à son bien être. Serait-ce le début d'un monde parfait ?

Il y a donc un circuit par cellule qui contrôle celle-ci en tension, et en température. un circuit de contrôle par celluleEn fait il vérifie probablement la T° du circuit. Mais comme ce circuit est presque posé sur la cellule (dans mon cas), nous n'aurons pas la T° des connecteurs, mais une idée de celle du corps. 123Electric a une autre approche (certainement meilleure) de la connexion, que vous pouvez consulter dans leur manuel. C'est également ce circuit qui participe à l'équilibrage de sa propre cellule. A cette occasion on peut constater un élèvement de sa température lorsqu'il dévie le courant. Car voici une autre tâche du BMS :

L'équilibrage, que l'on nomme aussi égalisation.

Nous savons qu'il faut respecter les seuils haut et bas de chaque cellule. La tâche en sera d'autant plus aisé que l'écart de tension entre cellules sera faible, car ainsi, elles atteindrons quasi en même temps ces limites.
Avec le temps (va, tout s'en va), au fil des cycles (recharge, décharge), l'une des cellules (ou plusieurs) peut prendre de "l'avance" sur les autres, ou inversement. Atteindre la tension max alors que les autres ne sont qu'à 80%, par exemple. Dans ces conditions, sans BMS, la charge se poursuivra, puisque le chargeur, ou le régulateur , verra bien que la tension totale n'est pas à 100% (l'imbécile, il pense encore masse ouvrière). Il s'en suivra une surcharge de la cellule qui était pleine avant les autres (attention à l'abus d'alcool), et par voie de conséquence, une cirrhose plus ou moins importante.
L'inverse est également vrai, une cellule plus "faible" que les autres dépassera le seuil bas, alors que l'ensemble reste à une tension acceptable; Avec toujours les mêmes conséquences.
Dans un cas comme dans l'autre, une cellule altérée, modifiera le comportement global, puisqu'elle aura perdu ses caractéristiques d'origine, sur la base desquelles le chargeur aura été réglé. Sans être paranoïaque et tout en restant éloigné de la théorie du complot, nous nous dirigeons tout de même droit vers un scénario catastrophe.
Des lettres ? voyelle !
À force de perdre de sa capacité, il faudra bien que les autres cellules compensent, ce qui semble incroyable car depuis le temps, si les "compensaient", ça aurait fini par "ce" savoir. Malgré tout, on demande toujours à l'ensemble d'atteindre une tension pré-réglée. Pour arriver à cette tension, les cellules encore saines, devront être surchargées. Ce qui entraînera une dégradation de celles-ci, qui subiront à leur tour un changement de leurs propriétés. Puis viendra la détérioration du pack, probablement à court terme.
Des chiffres, pour ceux qui préfèrent.
Prenons 6 cellules pleines à 4v et 2 à 3,5, ce la donne 24+7=31v, alors que le chargeur attend de trouver 32v pour cesser son activité. Le volt manquant, sera attribué à une ou plusieurs cellules, selon affinité, ou pré-disposition. Elles dépasseront donc leur seuil critique, avec les conséquences que nous connaissons.
Voilà pourquoi chaque cellule doit être équilibrée. Ce qui implique que les cellules travailleront toutes en même temps, que si l'une d'elles présente un défaut, le BMS l'aura détecté, et fera en sorte de protéger tout le monde, en commençant par les cellules. Une autre répercussion, est un pack chargé à 100%.
Dans l'hypothèse où une cellule serait totalement morte, ou s'il est devenu impossible d'équilibrer l'ensemble au point qu'il vaut mieux supprimer une cellule en attendant son remplacement, pourquoi pas. 7 x 4v=28v, c'est encore jouable, même si la tension risque de tomber à 7 x 3,2v nominal= 22,4v très rapidement. Il ne faudra pas oublier de reconfigurer chargeur, régulateur, BMS, etc., en fonction de la nouvelle configuration. En d' autres termes, il y a un point où il sera préférable d'utiliser 7 cellules qui disposent de 100% de leur plage de fonctionnement, plutôt que 8 cellules dont on n'utilise que 20% de la capacité puisque l'on ne pourra plus les charger ni les décharger à leur maximum théorique.


L'équilibrage, comment ça marche ?

Eh bien, c'est pas sorcier. Lorsqu'une cellule est pleine, le circuit qui la contrôle dévie le courant vers les cellules nécessiteuses. C'est ce que l'on appelle la répartition des richesses. Sommes-nous dans un monde parfait ?
Autant le courant de charge peut être très important avec l'usage du lithium, autant le courant d'égalisation est limité à 1A dans le cas du BMS123. Ceci est dû aux limites des composants électroniques. C'est aussi pour les protéger que le BMS surveille leur température. S'ils grillent, ce sont les cellules qui en feront les frais. Leur sort est entièrement lié.
Il y a certainement une autre raison à un courant si faible. Si la courbe de tension, aussi bien en charge qu'en décharge est quasi linéaire et horizontale, elle prend un virage serré à l'approche des limites, puis grimpe ou descend à la verticale, suivant le cas.

courbe de décharge lyp N'oublions pas que nous travaillons au dixième de volt près, alors que nous faisons du canoë dans les rapides, à proximité des grandes chutes. Je sais pas vous, mais moi, je chercherai un coin où il y a moins de courant pour avoir le choix entre regagner la rive, ou tenter le grand saut. Charger 400A peut prendre des heures à une tension qui varie très peu. En revanche elle passe de 3,8v à 4v, en quelques minutes. Plus on approche des chutes, plus ça se précipite. D'où le danger !
La solution, est de réduire le courant en amont. C'est le travail d'un chargeur adapté, mais dans une configuration solaire, ce sera celui du régulateur.régulateur Dans certains cas, le BMS sera capable de donner des ordres à un fournisseur d'énergie. Une fois les cellules toutes chargées au même niveau, soit le BMS dit stop, soit le fournisseur sait de lui-même qu'il doit passer en phase d'entretien, soit le BMS stoppe la charge manu militari, si le fournisseur fait la sourde oreille.


Bon alors, comment ça marche un BMS? :

Chaque circuit de surveillance des cellules partage ses données avec un autre circuit principal, le contrôleur.
Le BMS123 diffère de certains autres BMS que l'on surnomme "spaghetti". En effet, si vous regardez bien la photo du circuit, vous verrez un fil bleu qui entre, et un autre, noir qui sort.
un circuit de contrôle par cellule Saurez-vous lequel couper pour neutraliser la bombàbord ?

En prenant du recul, cellules et BMS on s'aperçoit que l'un vient d'une cellule et que l'autre va en rejoindre une autre. Les informations transitent par ces deux fils qui sont connectés au contrôleur par deux fois deux bornes. Une paire pour l'entrée du pack, une autre pour la sortie. En tout quatre fils, quelque soit le nombre de cellules, Contrairement aux "spaghettis" qui ont besoin de deux fils par cellule. D'où leur surnom, lorsque les cellules sont nombreuses, comme dans une voiture.

Aucun, il ne faut couper aucun fil, ce sont eux qui contiennent la dangerosité des lithium. Ce contrôleur analyse les données, et prend les décisions idoines si nécessaire. En cas de sur, ou sous-tension, ou de sur-chauffe d'une cellule, de perte de connexion avec les circuits de contrôle, il commande un relai, qui lui même peut activer un autre relai, mais de puissance, celui-là, qui ouvrira à son tour le circuit de votre choix. L'idéal serait deux relais au niveau du contrôleur, un pour la sur-tension/chauffe d'une cellule qui commanderait le relai de puissance ouvrant le circuit de charge. Le second commanderait le relai ouvrant le circuit consommateur dans le cas d'une cellule trop faible en tension. Un moyen de contourner cette contrainte consiste à placer un interrupteur sur chaque alimentation des relais, et de mettre hors jeu celui qui est inutile après avoir reconnu le défaut. Évidemment, cette manip nécessite une intervention humaine. En cas d'absence, ce système aura tout de même eu le mérite d'avoir isolé, préservé les cellules, et peut-être plus encore.
Pour plus d'informations sur les caractéristiques de ce BMS, ou sur le schéma électrique, vous pouvez télécharger le manuel ,ou jeter un œil sur cette page.

Sur cette autre page, vous constaterez qu'ils ont modifié le contrôleur afin de piloter deux relais de puissance en fonction de la tension et de la capacité de la batterie.
Vous en avez rêvé, 123electric l'a fait, ou presque. Ils sont entrain de développer un nouveau contrôleur qui pilotera 5 relais que vous pourrez assujettir à telle ou telle fonction. De quoi répondre probablement à toutes les configurations et aux attentes de chacun. Ils travaillent également à la communication entre entre les divers éléments. Victron donne l'opportunité de pouvoir communiquer avec ses produits grâce à un bus. Dans les rapports régulateur / BMS, cela va conduire à la suppression d'un relai, en expliquant au régulateur lorsqu'il doit cesser de charger, et j'espère fermer le robinet à volonté . Après avoir développé leur application sur windows, ils se lancent sur I-OS et androïd.

Y a t-il un médiateur à bord?

S'il est relativement facile de gérer la charge d'une lithium grâce à un chargeur dédié ou dit "intelligent", cela devient moins évident lorsque l'on utilise une source solaire. Tout le problème réside dans le fait qu'il faut faire cohabiter un BMS qui contrôle la tension au niveau de la cellule, avec un régulateur de charge dont la référence est la tension à la sortie du pack (l'ensemble des cellules). S'ils refusent obstinément le dialogue il vous faudra jouer le rôle de médiateur. Commencez par les réunir autour d'un délicieux cocktail de réglages pro, accompagné d'un zeste de doigté.

Toutes les indications chiffrées présentées ici, ne valent que pour cette configuration et ce contexte précis, et ne peuvent en aucun cas être considérées comme étant des références universelles. Chaque cellule, chaque fabriquant a ses propres caractéristiques, à chaque configuration correspond une réponse chiffrée spécifique.

Les données.

Cellule : mini 2.5v, maxi 4v, nominal 3.2v. Sachant que les courbes de tensions deviennent verticales à l'approche des limites, il n'est sans doute pas indispensable de frôler ces extrêmes au risque de se retrouver sur une pente incontrôlable. 8 x 4v = 32v (si ma calculette est juste), alors que la plus part des consommateurs en 24v, supportent jusqu'à 30v. 30/8=3,75v, ce sera la tension max de chaque cellule. Quant au seuil bas, il sera à 2.8v (suivant les conseils constructeurs), qui correspond à 80% de sa décharge, soit une batterie à 22.4v. Ce qui donne une plage d'utilisation de 22.4 à 30v. L'idée étant de ne pas descendre sous les 24v, sauf absolue nécessité. On peut imaginer une alerte à 23,9v. La tension d'équilibrage est fixée à 3.5v. C'est sur cette valeur qu'il faut jouer. Car c'est à ce niveau que le courant ne doit pas dépasser 1A. Il est donc impératif que cette tension soit "raccord" avec le régulateur qui devra passer en phase d'entretien au même instant, et ne débiter que quelques centaines de mA, puis fermer progressivement le robinet.
C'est là que l'on doit avoir du doigté. Il faudra y aller avec prudence, tester le régulateur pour connaître sa façon de réagir. Ne pas oublier de tenir compte de la précision des instruments de mesure, les réglages se faisant au dixième de volt près. S'armer de patience.

Le matos.

Mais ce n'est pas suffisant, il faut également un software pour le BMS, et un autre pour le régulateur, afin d'entrer ces données.

Le soft du BMS123.

Voici la partie réglage du BMS courant. le panneau de réglages et ici, le tableau de contrôle dont le cadran au centre, indique la valeur du courant. En réalité le courant affiché est la résultante de celui qui entre et de celui qui sort. Il peut donc être négatif si vous consommez plus que vous ne produisez. En haut, à gauche se situe le cadran de l'état de charge de la batterie. Si elle est exacte lors de la décharge, il n'en est rien lors de la recharge. En fait la jauge ne tient pas compte de ce qui entre dans la batterie. Elle passe à 100% seulement lorsque la phase d'égalisation est arrivée à son terme. Probablement pour palier à une variation de la caractéristique des cellules dans le temps. Mais c'est à mon sens un gros handicap, même pour une voiture. Admettons que vous rechargiez votre batterie pendant l'heure de midi. Si vous l'avez laissé à 50% avant de déjeuner, et si vous reprenez votre voiture sans que le cycle n'ait été terminé, il sera impossible de savoir si la batterie a été chargée à 70%, ou à 99.99%. Heureusement, il existe des "contrôleurs" (des multimètres spécialisés) de batteries qui fonctionnent dans les deux sens pour palier à cet inconvénient.
En haut à droite, c'est le cadran de la tension du pack. En bas, la température des cellules. Pour des raisons d'affichage, il n'y a que la plus haute et la plus base, mais en survolant l'une des deux, le numéro de la cellule s'affiche dans un popup. En bas à gauche, la tension la plus haute et la plus basse, avec le numéro de la cellule dans le popup après survol.
En ce qui concerne la connectique, c'est une prise USB côté PC, une mini-USB côté contrôleur. c'est le type de cordon qui vient avec un APN, en général, on en a toujours un qui traîne dans un tiroir ou ailleurs. Le plus difficile étant de mettre la main dessus. Le logiciel tourne sous windows, dommage qu'il ne fonctionne pas sous linux. En revanche, le prochain contrôleur sera développé également pour Androïd et I-OS.

Le soft du régulateur.

A l'heure actuelle, je n'en connais qu'un pouvant être programmé, de la famille des Morningstar. Il me semble qu'il y en avait un autre qui possédait toute la connectique pour cela, mais je n'ai jamais trouvé le soft. J'espère qu'un jour nous aurons plus de choix, même si ce MPPT me semble parfait. Je ne vois rien à lui reprocher, sauf, éventuellement, son prix, qui est peut-être justifié. Mais la technique évolue jour après jour, 123electric, de son côté planche là-dessus, et si vous connaissez une alternative, n'hésitez pas à la partager. Quoiqu'il en soit, le Tristar vient avec un soft qui permet de presque tout paramétrer, y compris d'interrompre la charge, sans passer par une déconnexion physique des panneaux. C'est pratique durant les essais, et ce serait le pied si le BMS et le régulateur pouvaient discuter ensemble. Un autre intérêt du soft du Morningstar ce sont les logs. Il enregistre toutes les données relatives à la charge, courant, tension (des batteries, des panneaux, etc), production depuis l'installation, production sur une période donnée, etc. Dans ces fenêtres sont affichées quelques données en temps réel, ainsi qu'un historique de la phase floating (entretien). Bref, il y a une foultitude de données disponibles. C'est dans cette autre partie du logiciel que l'on entre tous les réglages pour le Tristar. Les réglages présentés ici, correspondent à ma configuration matériel, ainsi qu'à ma vision du problème. Qui plus est, je n'ai pas encore eu le temps de tester d'autres possibilités, il est fort probable qu'ils évoluent. Toutes fois, ces réglages sont en place depuis 6 mois, et correspondent exactement à mes attentes. réglages du tristar. La phase absorption est désactivée, pour que le régulateur passe de la charge rapide (bulk), directement à la phase entretien (float). De manière à ce qu'il ne fournisse que quelques centaines de mA durant la période d'égalisation du BMS. La tension max et d'entretien est la même. Elle n'est pas de 30v comme prévu, mais de 28v, car je n'avais pas encore trouvé de relai de puissance approprié lors des essais.
La seule "protection" (alarme) est une led rouge, et compte tenu de la vitesse à laquelle on atteint le seuil haut en fin de charge, je voulais me réserver quelques minutes pour stopper la charge manuellement en cas de souci. Dans le futur, je brancherai un buzzer qui sera activé en présence d'un défaut, en complément de la diode. Même si le BMS apporte sa propre réponse à un dysfonctionnement, rien n'empêche que l'on soit mis au courant, si j'ose dire.
Oui, ça ne fait pas très pro, c'est la version "labo". La led verte qui est allumée signale que le BMS est bien alimenté. S'il y avait un problème, la rouge serait également allumée. Il est possible de vérifier en un clin d'oeil l'état des circuits de contrôle des cellules, grâce à une led qui flash à chaque envoi d'informations, cad, très rapidement. Notez que le BMS est alimenté par une source extérieure à celle qu'il contrôle, logique. On ne peut être juge et partie.
Profitons de cette image pour jeter un œil sur l'afficheur à droite. Le bargraphe représente l'état de charge de de la batterie en % et, en temps réel. Ceci grâce à un shunt connecté à la batterie, qui mesure le courant entrant et sortant, puis en calcule la somme. Dans le cas présent, la batterie est à 100% pleine, pour une tension de 27.8v, sachant que son maximum a été programmé à 28v. En cas de variation des caractéristiques de la batterie, une synchronisation manuelle est possible.

Question connectique, cette fois nous avons à faire à des prises RS232. Ce sont souvent ce types de prise qui nous servent à raccorder un GPS ou un décodeur fax à l'ordinateur. Il faudra donc prévoir une sortie série supplémentaire sur l'adaptateur USB/série si vous voulez utiliser ces appareils en même temps. Sachant que le soft du Tristar ne sert qu'à la programmation et à la lecture des logs, ces derniers attendront certainement la fin de la navigation. Un cordon équipé de deux RS232 se trouve peut-être dans le commerce, mais il faudra vérifier qu'il fonctionne aussi bien en émission qu'en réception. L'émission est nécessaire pour programmer le régulateur. La réception est indispensable si vous voulez sauver vos réglages, ou simplement consulter les historiques. Si non, il est simple de le fabriquer, pour peu que vous possédiez un fer à souder un peu plus fin que celui de votre plombier, en suivant le schéma fourni par Morningstar.câblage RS232

Ouf, si vous arrivez à lire ceci, c'est que vous avez beaucoup de courage, et / ou, que vous êtes très motivé. Il y aurait encore bien des choses à dire, nous en parlerons probablement lors des prochains essais. D'où l'intérêt de vous abonner, vous serez automatiquement prévenu, lors de la parution d'un nouvel article. Dans l'immédiat l'essentiel a été abordé, il est temps de faire une pause.