Centre Régional des Métiers dEducation et de la Formation – Settat [602155]

Centre Régional des Métiers d’Education et de la Formation – Settat

Concours d’Agrégation Sciences Industrielles de
l’Ingénieur et Ingénierie Électrique

Thème
« Système de Gestion du Unité de S tockage des Véhicules Electrique
Hybrides »

Préparé par : ELKHLIFI Youne s
Dossier Industriel

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Contenu du dossier

INTRODUCTION ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 3
QU’EST -CE QU’UN VEHICULE ELECTRIQUE HYBRIDE ………………………….. ……………………… 5
LES UNITES DE STOCKAGE D’ENERGIE ELECRTIQUE ………………………….. …………………… 12
SYSTEME DE GESTION DE BATTERIE (BMS) ………………………….. ………………………….. ………. 18
CONCLUSION ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 25
REFERENCE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 26
PROPOSITION D’UNE SEQUENCE PEDAGOGIQUE ………………………….. …………………………. 27

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INTRODUCTION
Actuellement, le développement du transport routier bute sur des problèmes
nouveaux, la quasi -intégralité du parc automobile utilise les dérivés du pétrole (l’essence, le
gasoil, le gaz, etc.), ces produits ont de grands avantages, mais il se trouve que ces
ressources sont en quantité limitée sur notre planète, la fig1 présente les prévisions de
l’évolution de la production de pétrole et les besoins du monde. Cependant, l’u tilisation de
plus de pétrole pour nos besoins (entre autre le transport) mène à des problèmes
économiques et environnementaux, ce qui devient inquiétant pour les années à venir.

Fig1 : l'évolution de la production et besoin du monde de pétrole. [1]
De n os jours les véhicules à énergie fossile constituent une menace permanente
contre l’environnement, à cause de l’émission trop important de CO2, comme indiqué sur la
figure 2, le secteur du transport routier représente 18% des émissions totales de CO2 à
travers le monde.

Fig2 : taux d’émission du CO 2 dans le monde selon les secteurs [2].
Les constructeurs automobiles se trouvent donc aujourd’hui confronté à trois types de
problèmes tels que (i) La raréfaction des ressources d’énergie fossile. Il faut d onc trouver
d’autres ressources énergétiques alternatives, (ii) Le prix de pétrole, directement lié à cette
raréfaction, augmente de plus en plus, les utilisateurs cherchent donc des modes de traction
Energie
hors
électricité
et vapeur
7% Industrie &
constructio
n
34%
Transport
routier
18% Autre
transport
7% Résidentiel
et divers
41%

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moins coûteux, et (iii) Le problème du réchauffement c limatique dû aux émissions trop
importantes de gaz à effet de serre (GES) dans l’atmosphère, en particulier à cause des
transports. Les émissions de gaz et particules polluantes sont également une source de
préoccupation. Le transport routier du futur devr a donc à la fois concilier diversification
énergétique, maitrise des émissions de CO2 et maitrise des émissions polluantes.
Différentes solutions alternatives visent à répondre à ce challenge : amélioration des
véhicules tout thermique, développement de vé hicules Electrique (VEs) et de Véhicules
Electrique Hybrides (VEHs).
Parmi les différents composan ts couramment utilisés dans les Véhicules Electrique
Hybrides (HEV), on retrouve évidemment les composants servant à stocker l’énergie(les
batteries, les super -condensateurs), deux organes de traction de type différent (électrique et
mécanique) ainsi que des éléments de transmission. Entre autres, la batterie est une
composante essentielle au développement des véhicules électriques, aussi bien d’un poi nt
de vue technologique que de performances d’exploitation. Plusieurs technologies sont
aujourd’hui commercialisées, chacune dans le domaine d’application qui lui revient, en
fonction de ses caractéristique générales (tension, puissance, temps de recharg e …) .
Pour les véhicules hybrides équipés par des batteries, une bonne stratégie de gestion
des échanges énergétiques entre ces sources permet d'une part, de réduire la
consommation de carburant et les émissions polluants et d'autre part, d'améliore r la durée
de vie des batteries et de veiller à maintenir les unités de stockages à un niveau de
fonctionnement optimal, d’où l’utilisation d’un système de gestion de batterie (Battery
Management System BMS ) ce dernier se compose en deux partie, électron ique (hardware)
et logiciel (software) , qui contrôle le fonctionnement de la batterie pour une application
donnée. Son rôle est de surveiller tous les paramètres de l’unité de stockage et à agir quand
cela est nécessaire. Cette gestion concerne les points suivants :
 la superv ision de tous les compostant des unités de stockage qui peut être composé
d’une ou plusieurs cellules (mesure des tensions, courants, températures, etc.),
 Les estimations d’états : état de charge SOC (Sate Of Charge), état de santé (SOH,
State of Health).
 La sécurité de l’utilisation en s’assurant que des unités de stockage est dans la zone
de fonctionnement sûre SOA (Safe Operating Area) ; Ceci passe par le contrôle des
charges/décharges, l’équilibrage entre les cellules en série ainsi que la gestion
thermique du des unités de stockage pour le maintenir dans une gamme de
température convenable,
 l’optimisation de la durée de vie du des unités de stockage en contrôlant les facteurs
d’accélération du vieillissement des cellules.

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QU’EST -CE QU’UN VEHICULE ELECTRIQUE HYBRIDE
Le véhicule électrique hybride (HEV) est un véhicule qui combine deux sources d’énergie
différentes : un moteur à explosion (essence, gazole, GNV « gaz naturel pour véhicule »,
hydrogène, etc.) et un moteur él ectrique. L’intérêt de l’hybridation consiste à pouvoir réduire
la consommation en carburant fossile et donc les émissions de CO2, dans la mesure où le
moteur thermique ne fonctionne pas en permanence, mais principalement aux régimes où le
rendement est le plus favorable. Il résulte aussi des avantages d’une propulsion électrique
en zone de circulation dense, où le taux de pollution est élevé, alors que disparaissent les
problèmes d’autonomie rencontrés avec les véhicules tout électrique (EVs).
Donc les HE Vs possède les avantage des deux type de véhicule (IC engine et EVs) et
peut surmonter leur inconvénients. Mais, sur le plan technique, le véhicule hybride présente
cependant deux inconvénients majeurs :
 la double motorisation induit une surcharge pondéra le qui pénalise son autonomie.
 l’état actuel de la technologie fait que son coût reste nettement plus élevé qu’une
motorisation classique.

Architectures des véhicules électriques hybrides (HEV)
Il existe plusieurs types d’architectures, plus ou moi ns complexes, de véhicules
électriques hybrides. La gestion de la puissance et de la traction est alors complètement
différente d’un véhicule à l’autre. Dans la suite, on présente les différentes architectures
utilisées dans les véhicules hybrides actuelle ment commercialisé ainsi leurs avantages et
leurs inconvénients.
 Hybride série
Dans ce type d’hybride ( figure 3), le moteur thermique est associé à un générateur électrique
et il fait office de groupe électrogène en transformant l’énergie issue de la combu stion en
énergie électrique. Combinée à celle fournie par la batterie, cette énergie est ensuite utilisée
par le moteur électrique, qui assure seul la propulsion du véhicule. Il n’existe donc pas de
liaison mécanique entre le moteur thermique et les roues. Les multiples conversions
d’énergie (thermique => mécanique =>électrique => mécanique) pénalisent le rendement
maxi mal de cette chaîne de traction.

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Figure 3 : Schéma synoptique de l’architecture hybride série
Les points forts spécifiques sont : la faci lité de gestion de l’énergie électrique, les
performances en mode électrique pur et, par conséquence, des émissions polluantes très
faibles.
Les points faibles sont : le cumul des rendements, besoin de deux machines
électriques (générateur et moteur), donc le coût et le poids du véhicule vont augmenter.
Comme il n’y a plus de liaison mécanique entre le moteur du générateur et les roues,
il est possible d’utiliser tous les types de moteur permettant d’entraîner un alternateur. Le
générateur d’électricité embarqué peut prendre différentes formes :
 moteur thermique classique accouplé à un alternateur ;
 moteur à combustion externe (Stirling) accouplé à un alternateur ;
 turbine à gaz accouplée à un alternateur ;
 pile à combustible.
Prenons en compte de ce s avantages (structure simple, simplicité de contrôle), la
structure hybride série et généralement utilisé par les véhicule lourds, comme les véhicules
militaires, les bus, la raison majeur est que ces types de véhicule ont un espace suffisant
pour incorpo ré le système générateur/moteur .
 Hybride parallèle
Dans ce type d’hybride, le moteur thermique sert principalement à déplacer le véhicule.
Associé à une transmission d’un fonctionnement classique, on lui adjoint un moteur
électrique qui utilise l’énergie d es batteries (et/ou supercondensateurs) ( figure 4). La
+ –

Unité de stockage
Unité de contrôle
de puissance
Moteur électrique
Roues motrices
Réducteur
Réservoir
Générateur
Moteur
thermique
Puissance mécanique
Puissance électrique

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récupération d’énergie cinétique pendant les phases de décélération et de freinage du
véhicule assure la recharge des batteries et/ou supercondensateurs. Les phases de
roulage en mode électrique corres pondent principalement aux situations où le moteur
thermique est peu efficace, soit essentiellement à faible charge. Cette architecture
permet temporairement un mode de fonctionnement 100 % électrique.

Figure4. : Schéma synoptique de l’architecture hybride parallèle
Les points forts spécifiques sont :
 Les deux moteurs (électrique et thermique) fournissent le couple directement au
roues, donc pas de conversion d’énergie.
 Pas de générateur, donc encombrement réduite.
Les points faibles sont : la comp lexité de conception et le coût.
Dans la théorie des hybrides, il existe deux grandes familles d’architecture parallèle, les «
double arbre » et les « simple arbre », qui font l’objet des paragraphes suivants.
Hybrides parallèles double arbre :
Le schém a synoptique d’une chaîne de traction double arbre est présenté sur la figure 5 .

+ –

Unité de stockage
Unité de contrôle
de puissance
Moteur électrique
Roues motrices
Réducteur
Réservoir
Générateur
Moteur
thermique
Puissance mécanique
Puissance électrique

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Figure 5 : Schéma synoptique d’hybride parallèle double arbre
Le point fort est une plus grande potentialité en termes de performances grâce au fait que
le moteur élec trique et le moteur thermique peuvent tourner à des vitesses différentes. Cela
permet de dimensionner au plus juste (couple vitesse) chaque moteur et réduire ainsi la
masse, le volume et le coût.
Par contre, il est nécessaire de développer de nouveaux organes de transmission qui
seront plus coûteux, car ne bénéficiant pas des volumes existants dans la motorisation
traditionnelle.
Hybrides parallèles sim ple arbre
Le schéma synoptique d’une chaîne de traction simple arbre est présenté sur la figure 4

Figure 6 : Schéma synoptique d’hybride parallèle simple arbre
Le point fort est la grande synergie avec les architectures des véhicules classiques
garantissant le meilleur coût.
Par contre, il y a moins de potentialité en termes de performances et, à pres tations
équivalentes, un poids et un volume de la machine électrique supérieure au double arbre.
Cela est dû au fait que la vitesse du moteur électrique est limitée par la vitesse du moteur
thermique.
Réservoir
Unité de
stockage
Moteur
thermique
Machine
électrique

Transmission
mécanique
Réservoir
Unité de
stockage
Moteur
thermique
Machine
électrique

Transmission
mécanique

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Grâce à ses caractéristiques compactes, l’architecture parallèle est utilisée par de petits
véhicules. La plupart des voitures de tourisme emploient cette configuration, tels que la
Honda Insight, Ho nda Civic, Ford Escape, etc.
 Hybride complexe ou à dérivation de puissance
L’hybride complexe ou à dérivation de puissance est doté d’au moins deux machines
électriques indispensables à son fonctionnement. La puissance délivrée par le moteur
thermique suit deux chemins distincts : l’un mécanique, l’autre électrique. L’usage des
machines électriques limite le rend ement de la transmission dans certaines circonstances,
particulièrement lors des phases nécessitant la puissance maximale du moteur. Comme
dans le cas de l’hybride parallèle, cette architecture offre la possibilité d’un mode de
fonctionnement 100 % électri que.
La figure 7 représente une configuration classique de la transmission combinée en utilisant
un train planétaire afin de réaliser une addition des vitesses. L'unité d'engrenages planétaire
et la relation couple -vitesse sont représentées sur la figure 8 .à une vitesse du véhicule ω 1
donnée, la vitesse de l’alternateur ω 2 peut être ajustée pour régler la vitesse ω 3 du moteur.

Figure 7 : schéma synoptique de l’architecture hybride complexe
+ –

Unité de stockage
Unité de contrôle
de puissance
Moteur électrique
Roues motrices
Réducteur
Réservoir
Train
planétaire
Moteur
thermique
Puissance méc anique
Puissance électrique

Générateur

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Figure 8 : schéma cinématique d’une unité d'engrenages planétaire.
La configuration en série -parallèle combine les avantages d’hybride série et d’hybride
parallèle. Toutefois, il a également besoin d'une machine supplémentaire électrique et un
train planétaire, ce qui rend la transmission un peu compliqué.
Degré d’hybridation
Les véhicules hybrides thermiques -électriques, offrent un certain nombre de fonctionnalités
supplémentaires, en comparaison des véhicules traditionnels on peut citer à titre d’exemple
 Stop & Start (STT) : à l’arrêt, le moteur thermiqu e s’arrête et ne consomme plus de
carburant. Au démarrage du véhicule, un moteur électrique relance le démarrage du
moteur thermique.
 Récupération d'énergie au freinage : pendant les phases de freinage, le freinage
régénératif joue le rôle de frein moteur et recharge la batterie et /ou le
supercondensateur.
 Assistance électrique à la traction ou « booster »
 Mode « zéro Émission » : à faible vitesse, le moteur électrique remplace totalement le
moteur thermique pour la traction du véhicule.
On distingue plu sieurs degrés d’hybridation en fonction de l’importance du système
électrique dans la traction du véhicule. Du plus faible au plus important degré
d’électrification, on parle de :
 HEV : Véhicule Hybride Électrique ( Hybrid Electric Vehicle ). Ces véhicules d isposent
d’un degré d’électrification plus ou moins important, allant de la simple aide au
démarrage à un mode tout électrique limité.
 PHEV : Véhicule Hybride Électrique Rechargeable ( Plug-in Hybrid Electric Vehicle ). Ces
hybrides rechargeables sont une va riante du modèle full hybride. Leur spécificité est de
permettre le rechargement de la batterie du véhicule à l’arrêt à l’aide d’une prise de
courant.

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 EV : Véhicule Électrique ( Electric Vehicle ). Les véhicules électriques ne sont pas des
véhicules hybrides , mais ils ont le plus haut degré d’électrification. On parle de tout
électrique. La seule source d’énergie utilisée, dans ces véhicules, est la batterie.
Néanmoins, au sein même de la famille des véhicules hybrides HEV on peut distinguer
plusieurs degrés d’hybridation :
 Micro : signifie que la partie électrique du type d’hybride considéré est inférieure à 10 %
de la puissance totale.
 Mild : signifie que la partie électrique du type d’hybride considéré est comprise entre 10
et 30 % de la puissance totale.
 Full : signifie que la partie électrique du type d’hybride considéré est supérieure à 30 %
de la puissance totale. Nous retrouverons ces termes dans le reste du texte.
Micro hybrid Mild hybrid Full hybrid Plug-in hybrid
Coupure du moteur à
l’arrêt du véhi cule √ √ √ √
Récupération
d’énergie au freinage √ √ √
Assistance électrique
et Downsizing √ √ √
Mode tout -électrique
√ √
Autonomie en Mode
tout-électrique √
Recharge batterie via
réseau Domestique √
Exemple de réalisation Citroen C3
Smart Fortwo mhd Honda système IMA Toyota système THS
II Daimler Sprinter
Tableau 1 : Récapitulatif des fonctionnalités assurées par type d’hybridation du véhicule.
Parmi les véhicules commercialisés, qui utilise ce type de configuration, on trouve Le
célèbre Toyo ta Prius figure 9 .

Figure 9 : Exemple HEV : La Toyota Prius V 2012 (document Toyota, 2012).

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LES UNITES DE STOCKAGE D’ENERGIE ELECRTIQUE
L'électricité est un vecteur énergétique très pratique mais présente l'inconvénient d'être
difficile à s tocker. Or ce besoin de stockage croît avec le marché de consommation et plus
particulièrement celui de l'automobile, dans un HEV la batterie est le composant principal de
stockage d’énergie, En effet, la batterie doit être dimensionnée pour fournir l'én ergie
électrique suffisante et les puissances de pointe durant les phases de démarrage et
d'accélération. Or la possibilité de fournir à la fois l'énergie et une puissance importante est
une contrainte sévère et pénalisante pour la batterie. Pour résoudr e cette problématique,
l'hybridation des sources est nécessaire afin de moins solliciter la batterie pendant les
régimes transitoires.

Parmi les différentes solutions d'hybridation des sources (supe rcondensateurs, batteries,
pile à combustible), celle couplant les supercondensateurs et les batteries semble être plus
prometteuse à court terme. Le principe de fonctionnement es t le suivant : en milieu urbain
les supercondensateurs fournissent la puissance nécessaire pendant les phases
d’accélération, les batteries assurent la puissance en régime permanent. La récupération de
l’énergie lors des décélérations se fait en priorité à l’aide des supercondensateurs, puisqu’ils
possèdent un rendement de charge/décharge supérieur à 95 % avec des courants
relativem ent élevés, les batteries sont également utilisées pour récupérer de l’énergie.
 Les accumulateurs électrochimiques
Les accumulateurs électrochimiques sont des
dispositifs destinés à stocker l’énergie électrique
et à la restituer ultérieurement. C'est la
modification chimique d'un mélange appelé
"électrolyte" qui permet d'accumuler ou de
restituer l’énergie électrique.

 Caractéristiques générales des accumulateurs électrochimiques.
Tension à vide ou FEM (Force Electromotrice) en Volts (V) : fixée par le po tentiel
d'oxydoréduction du couple électrochimique utilisé (exemple : plomb – acide), elle est de
quelque volts pour une cellule. En pratique, comme des tensions plus élevées sont
nécessaires (12V, 24V, …), il est nécessaire de mettre en série un certain n ombre de
cellules.
Charge électrique (ou capacité ) en Ampère -heures (Ah) : la charge électrique peut
s’assimiler à une quantité d’électrons. L’unité légale est le Coulomb (C) : 1 Coulomb est égal
à 1 Ampère pendant 1 seconde.
Q = I x t
Q en Ah, I en A et t en h
1 Ah = 3600 C

L’énergie stockée en Wattheures (Wh ). L’unité légale est le Joule (J) : 1 Joule est égal à 1
Watt pendant 1 seconde.
W = U x I x t
W en J, U en V, I en A et t en s
1 Wh = 3600 J

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La puissance maximale en Watts (W) : que l’accumulateur peut fournir en pointe sans se
détériorer. Cette puissance ne peut être maintenue sans risque. Une équivalence à la
puissance maximale est le débit maximum en Ampères (A).
P = U x I
P en W, U en V et I en A
L’impédance interne en Ohms (Ω) : elle est assimi lée à une résistance pure et limite le
courant de décharge en transformant en pertes joules une partie de l’énergie restituée.
Le courant de charge en Unité de Charge (C) : c’est le rapport entre le courant de charge
en A et la capacité en Ah. Le courant de charge est aussi exprimé en A. En général, c’est
aussi le courant nominal de décharge de l’accumulateur.

L’énergie spécifique en Wattheures par kilogramme (Wh/kg) : est la quantité d’énergie
que peut restituer l’accumulateur par rapport à sa masse. On parle aussi de densité
massique en Ampère -heures par kilogramme (Ah/kg).
La densité d’énergie en Wattheure par litre (Wh/l) : est la quantité d’énergie que peut
restituer l’accumulateur par rapport à son volume. On parle aussi de densité volumique.
L’état de charge SoC (State of Charge) en % : exprime la capacité disponible de la batterie.

La profondeur de décharge DoD (Deep of Discharge) en % : exprime la capacité
consommée de la batterie.
SoC = 100 – DoD
 Les différentes technologies des batteries
L’accumulateur acide -plomb .
Electrodes :
Cathode (borne +) : Bioxyde de
plomb (PbO 2)
Anode (borne -) : Plomb (Pb)
électrolyte : Acide sulfurique (H 2SO 4).
Tension de base de cellule : 2 V.
Variation entre 1,75 V et 2,15 V.
Utilisation : Batterie auxili aire et de démarrage automobile rechargée par un
alternateur, Engins de manutention et petits véhicules (poids < 600 kg),
Un courant de charge de 0,2 C
correspond à 0,2 A pour une capacité
de 1 Ah ou à 4 A pour une capacité de
20 Ah et dans les 2 cas à une charge de
5 h. Formule
Hawker (C 5) : 35 Wh/kg, 90 Wh/l

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stockage de l'énergie produite par intermittence, comme l'énergie solaire ou
éolienne, …
Inconvénients majeurs : cause de dégradation si décharge complète,
oxydation des électrodes si manque d’électrolyte.

L’accumulateur Nickel -Cadmium.
Electrodes :
Cathode (borne +) : hydroxyde
de nickel
Anode (borne -) : hydroxyde de
cadmium
électrolyte alcalin : hydroxyde de
potassium (KOH) : pota sse, soude et
lithine
Tension de base de cellule : 1,2 V.
Variation en entre 0,85 V et 1,3 V.
Utilisation : premières versions des véhicules électriques, ferroviaires,
systèmes de secours avionique, matériel électroportatif, …
Interdit depuis 2006 pour les applications portatives.
Inconvénients majeurs : Mauvaise tenue dans le temps sans utilisation, effet
mémoire.

L’accumulateur Nickel -Métal Hydrure.
Electrodes :
Cathode (borne +) : hydroxyde
de nickel
Anode (borne -) : hydrure
métallique + hydrogène
électrolyte alcalin : hydroxyde de
potassium (KOH) : potasse, soude et
lithine
Tension de base de cellule : 1,2 V.
Variation en entre 0,9 V et 1,35 V.
Utilisation : véhicules électriques et hybrides, matériel électroportatif, …
Inconvénients majeurs : Mauva ise tenue dans le temps sans utilisation, effet
mémoire.
L’accumulateur Lithium.
Accumulateur Lithium -Ion :
Saft N i-Cd (0,3 C) : 80 Ah, 6 V, 63
Wh/l, 43 Wh/kg
Saft Ni -Mh (0,3 C) : 137 Wh/l, 66
Wh/kg , 150 W/kg

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Cathode (borne +) : Oxyde de
Cobalt + Lithium
Anode (borne -) : Graphite +
Lithium
électrolyte : sel de Lithium en
solution dans un solvant
organ ique
Accumulateur Lithium -Phosphate :
Cathode (borne +) : Phosphate
de fer en général ou Magnésium
Anode (borne -) : Carbone
électrolyte : sel de Lithium en solution dans un solvant organique
Accumulateur Lithium -Polymère :
Cathode (borne +) : Oxyde de manganèse + Lithium
Anode (borne -) : Graphite +
Lithium
électrolyte : Polymère + solvants + antioxydants …
Accumulateur Lithium -Métal Polymère :
Cathode (borne +) : Oxyde de vanadium, Polymère, Carbone
Anode (borne -) : Lithium métal
électrolyte : Polymè re + sels de Lithium
Tension de base de cellule : 3,6 V.
Utilisation : équipements portables, proto et petite série de véhicules…
Avantages majeurs : aucun effet mémoire, faible n’autodécharge , pas de
maintenance, batterie pouvant prendre des formes fines et variées (Lithium –
Polymère), faible poids, plus de cycles de vie.
Inconvénients majeurs : l’électrolyte liquide présente des dangers si une fuite se produit et
que celui -ci entre en contact avec de l'air ou de l'eau avec risque de brûlures ou d’explo sions
(Lithium -Ion), charge soumise à des règles strictes sous peine de risque d'inflammation
(Lithium -Polymère), fonctionnement optimal à température élevée (Lithium -Métal -Polymère).
Le tableau ci -dessous indique les performances, pour chaque famille d e batterie, en
puissance (W/kg) et en énergie (Wh/kg). La zone (5) illustre le fait qu’en fonction de ses
détails de fabrication, une batterie peut être de forte puissance avec une faible énergie
(batterie de puissance) ou de forte énergie mais de faible p uissance (batterie d’énergie).
Le choix de la technologie utilisée est capital afin de contenir les besoins en énergie du
véhicule dans la plage de fonctionnement de la batterie. cela permet, en effet, de garantir
une longévité d’utilisation satisfais ante.
Valence technology : Lithium –
Phosphate 148 Wh/l, 91 Wh/kg

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Source : www.educauto.org
 Les supercondensateurs
L’alternance de charges et de décharges accélère le vieillissement des batteries. il
s’agit malgré tout d’un fonctionnement normal pour un véhicule hybride. Les supercapacités
sont des condensateurs de très forte valeur qui peuvent stocker l’énergie récupérée lors d’un
freinage et le restituer par la suite, sans perte d’énergie et sans altération, soulageant ainsi la
batterie et augmentant sa longévité.
Dans le cas d’une utilisation normale, l a tension des accumulateurs reste stable
durant la décharge ou la charge, et voisine de leur tension nominale. Ce n’est, en revanche,
pas le cas pour les condensateurs où la tension est proportionnelle à la quantité de courant
qu’ils contiennent. (u = q/c) cette variation incessante de la tension aux bornes des
condensateurs nécessite l’utilisation d’une électronique afin, d’une part, de ne pas dépasser
la tension nominale admise par les condensateurs et, d’autre part, d’adapter leurs tensions à
celle de l a batterie. Le surcoût important qu’entraîne l’utilisation de cette technologie fait
qu’elle n’est utilisée, actuellement, que pour les bus et les tramways.

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Source : www.educauto.org
Les supercapacités doivent être couplées en série et en parallèle afin d’obtenir la capacité et
la tension nominale souhaitées :
 La mise en série additionne leur tension nominale mais diminue leur capacité.

 La mise en parallèle additionne leurs capacités sans modifier leur tension.
L’énergie stockée dans un condensateur correspond à :

(E en joule, C en Farad, U en Volt)
Exemple de c omparaison entre batterie et supercondensateur

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SYSTEME DE GESTION DE BATTERIE (BMS)
Un pack de batteries est constitué de cellules électrochimiques élémentaires
connectées en série pour obtenir les niveaux de tension désirés et e n parallèle pour avoir la
capacité voulue. Cependant, chacune de ces cellules élémentaires présente des
caractéristiques uniques et différentes les unes des autres qui dépendent, entre autres, de
sa fabrication (capacité, résistance interne, état de cha rge initial, tension à courant nul) des
conditions de mise en œuvre et d'utilisation ou encore de son environnement (température,
autodécharge, vieillissement). Cette dispersion des caractéristiques peut être plus ou moins
grande. Pour tenir compte de ce tte dispersion, il faut pouvoir gérer la batterie, cellule par
cellule, et donc utiliser un BMS (Battery Management System), i.e. un système de gestion de
batteries. Sous ce nom se cache un système dont les divers rôles et réalisations sont
multiples. Ils peuvent se décliner sous des topologies allant de la simple électronique de
mesure au convertisseur d’électronique de puissance, le tout pour surveiller tension, courant,
température, état de charge et état de santé, protéger en tension, courant et tempéra ture les
cellules qui composent un pack de batterie voire même transférer de l’énergie entre elles.

Fonctionnalités
Un BMS a pour objectifs de garantir la sécurité de l’utilisateur et de maintenir la batterie
dans un état qui répond au cahier des charges d’une application donnée. Pour atteindre ces
objectifs, un BMS va chercher à agir sur les caractéristiques de la batterie pour optimiser les
performances de la batterie, sa durée de vie et sa capacité à communiquer (on pense
notamment aux informations po uvant être transmises à l’utilisateur ou au chargeur pour
assurer performances et durée de vie maximales). Pour agir sur ces trois points, le BMS
peut être équipé de diverses fonctions.
 Mesure/surveillance
C’est la fonction la plus élémentaire d’un BMS : m esurer les tensions et températures de
chaque cellule d’un pack et les reporter à un observateur extérieur. Cela permet de contrôler
la présence (ou l’absence) de déséquilibre parmi les cellules qui composent un pack.
Cependant, sans une action extérieure telle que l’arrêt de la charge/décharge du pack rien
n’empêchera les limites en tension/courant/température d’être dépassées et d’endommager
les cellules les plus faibles du pack.
Actuellement il existe des circuits intégré qui regroupe les principaux fon ctions élémentaire
comme la mesure de la tension, un convertisseur Analogique/Numérique de grande
résolution, équilibrage des cellules et contrôle de température.parmis les circuits qui existe
sur le marché on trouve : bq76 PL536 de Texas Instruments, LTC 6802-1 de Linear , et
MAX11068 de Maxim .

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Figure 10 : Schéma du circuit bq76 PL536 [8]

Figure 11 :Schéma du circuit LTC6802 -1 [8]

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Figure 12 Schéma du circuit MAX11068 [8]
Mesure de température de la batterie
La mesure de température pour un BMS est l a surveillance en temps réel de la
températ ure de fonctionnement du pack batterie pour protéger la batterie et pour pouvoir
estimer l’état de charge (SOC) qui dépend de la température des cellules, parmi les capteurs
utilisé on trouve les sondes RTC ,les the rmocouples, les thermistance, les capteur intelligent .
Parmi les capteurs de température utilisé dans les BMS commerciaux on trouve le capteur
intelligent de température DS18B20 de la société DALLAS Semiconductor , avec un étendu
de mesure de −55 à 125 °C et une précision de ±0.5 °C, il permet de convertir la
température en valeur numérique sans avoir besoin d’un convertisseur analogique
numérique CAN , la figure suivant présente un exemple d’un module de mesure de
température

Figure 13 : Exemple de module de mesure de température

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Mesure de courant de la batterie
Le courant de charge et décharge d’une batterie est un à la base de la gestion d’énergie d’un
BMS, le capteur de courant donne des donnée pour estimer l’état de charge de la batter ie
ainsi le contrôle de la charge et décharge de cette dernière, c’est pourquoi il est nécessaire
d’avoir des capteurs avec une haute précision et l'immunité au bruit grande, parmi les
capteur de courant utilisé dans les BMS on trouve Le capteur à effet Ha ll et le shunt .
 Capteur a effet Hall
L’élément sensible est un semi -conducteur, appelé cellule de Hall, disposé dans un circuit
magnétique pour accroître sa sensibilité. Ce capteur, s’il permet de mesurer un courant
alternatif comme un courant contin u, est toutefois soumis aux effets de la saturation
magnétique, ce qui limite sa plage d’utilisation.

Figure 14 : Capteur a effet Hall
 Le shunt
Le « shunt » est un conducteur de faible résistance très précis, constitué en général de
manganine (alliag e de cuivre, nickel, manganèse), ce qui assure une très faible variation en
fonction de la température. La plage d’utilisation est de 10 mA (en laboratoire) à 10 kA (dans
l’industrie). Il suffit donc de mesurer la tension à ses bornes pour connaître la val eur du
courant le traversant. Généralement, la prise de mesure de tension sur le shunt est calibrée
à 100 mV

Figure 15 :Shunt 1) structure de bande 2) structure coaxiale

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 Protection
Dès que les fonctions de mesures, d'estimation et de surveillance sont implémentées, il
faut que le BMS puisse agir sur les conditions d’utilisation du pack pour le protéger (ou du
moins, protéger les cellules qui risquent d’être endommagées). Soit à l’aide d’un contacteur
qu’il contrôle directement (pour déconnecter ou reconnecter le pack à la charge/source), soit
en communiquant avec les équipements qui peuvent agir sur l’utilisation de la batterie en
demandant de réduire ou même d’arrêter le courant qui circule dans la batterie.
Cette solution permet de préserver to utes les cellules composant une batterie mais soulève
un problème non négligeable pour l’utilisateur : la question de l’autonomie exploitable d’un
pack. En effet, lors d’une charge par exemple, dès qu’une cellule atteint sa tension maximale
la charge passe en tension constante jusqu’à ce que la cellule soit chargée. La phase de
charge doit ensuite s’arrêter sous peine d’endommager ladite cellule, alors que les autres
cellules ne sont pas forcément encore chargées à 100%. A l’inverse lors d’une décharge,
dès qu’une cellule est déchargée et que le BMS ordonne la coupure du courant, il est
dommage de constater qu’il reste de l’énergie stockée dans le pack mais qui n’est pas
disponible.

 Contrôle de la charge
De nombreuses batteries étant endommagées par des cha rges inappropriées, il est
nécessaire de pouvoir charger les batteries dans de bonnes conditions et donc de pouvoir
contrôler leur charge. Cet aspect est plus ou moins développé selon la technologie de
batterie considérée et sa résistance aux surcharges.
L’aspect sécuritaire est aussi important à prendre en compt e lors du contrôle de la charge,
ainsi cette fonction sera moins critique sur des technologies de type acide -plomb ou NiMH
que pour le Li -Ion qui présente des risques d’explosion ou de combusti on en cas de
surcharge.
 Estimation de l’état de char ge (SOC )
C’est une fonction importante dans un BMS. Il s'agit de déterminer la quantité de charge
disponible dans une cellule ou un pack à un instant donné. Cette quantité de charge
disponible, que l'on peut aussi assimiler à l'autonomie restante est le SOC (Sate of Charge),
i.e. l'état de charge.
De nombreuses applications ont besoin de connaître l’état de charge de la batterie (ou
même des différentes cellules). Ce besoin de connaître le SOC peut servir tout simplement
pour informer l’utilisateur de l’état de charge et donc de l’autonomie restante (exprimée en
%, 0% représentant une batterie déchargée et 100% représentant une batterie totalement
chargée). Il peut aussi servir pour des circuits de contrôle pour optimiser l’utilisation, charge
ou décharge, de la batterie.

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 Détermination du SOH
L’état de santé d’une batterie ou encore State of Health (SOH) est souvent quantifié par
la capacité maximale que peut délivrer la batterie par rapport à sa capacité nominale. Il
indique donc si des actions de maintenance sont nécessaires ou non, et il est aussi vital
pour évaluer la disponibilité d’un équipement de secours équipé de batteries.
Le SOH est un indicateur qui peut être définit comme étant le ra tio entre la capacité
actuelle de la batterie par sa capacité d’origine. Pour estimer un SOH, il est possible de
prendre en compte d’autres éléments comme la résistance interne, le nombre de cycles
effectués, l’autodécharge ou encore la capacité à accepte r la charge.
 Les bus de donnée dans un BMS
Un BMS utilise des signaux numériques pour informer le système sur l’état du pack
batterie. Ces signaux on/off indique les défauts, les alarmes et signalent l’activation de
certaines fonctions comme la charg e ou la décharge. Dans une configuration plus
complexe, l’unité maître du BMS communique avec le système général via une liaison de
données. Cette dernière peut être exclusive ou utiliser un protocole normalisé tel que les
liaisons RS232 , RS485 , Ethernet , USB et Bus CAN . Ce dernier est fréquemment utilisé
pour des applications industrielles, en particulier dans les véhicules, il existe aussi des
nouveaux mode de communication tel que CAN open et Flexray .
 Topologies de BMS
 Centralisée
Il s’agit d’un sy stème où toutes les fonctions sont réunies dans un même espace. Ce
système "monobloc" est très pratique pour les opérations de maintenance s’il n’est pas situé
directement au plus proche du pack d’accumulateur et donc reste très accessible.
Cependant, de par cette configuration, il est nécessaire de tirer de nombreux fils (pour
accéder à chaque point d’interconnections du pack), ce qui n’est pas sans poser des
difficultés de mise en œuvre et des problèmes de bruits, parasites, isolation mais aussi
d’évol utivité. En effet, comme ce BMS gère un nombre fixe de cellules, on ne peut pas faire
évoluer le pack de batterie comme on pourrait le souhaiter.

BMS centralisé
 Distribuée
Ici, à l’inverse des topologies centralisées, chaque cellule a un BMS directem ent connecté
à elle. Par conséquent, il y a beaucoup moins de fils que dans l e cas précédent (seulement
pour relier le BMS avec son contrôleur) et en cas d’évolution du pack, il n’y a aucun
problème pour ajouter des cellules avec leur BMS associé. Par con tre, la présence de

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nombreux éléments à monter individuellement sur chaque cellule augmente le coût du
système et rend sa maintenance difficile puisqu’il faut pouvoir accéder directement aux
cellules.

BMS distribué [8]
Exemple pratique de BMS utilisé par The FOTON hybrid bus

 Source : www.chinabus es.org

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CONCLUSION
La raréfaction et l’augmentation du coût des énergies fossiles d’une part, et la prise de
conscience globale des problèmes liés au réchauffement climatique d’autre part, ont conduit
ces dernières années au développement des véhicules hybrides qui sont maintenant une
solution industrielle pour réduire la consommation de carburant, donc les émissions de CO 2
et les rejets de polluants. Ce constat est confirmé par le fait qu’une majorité de constructeurs
automobiles disposent déjà, ou vont disposer prochainement, de véhicules hybrides dans
leurs catalogues. Dans ce contexte, plusieurs programmes de recherches et de
développement ont récemment été menés autour :
 De la modélisation des véhicul es hybrides, afin d’en définir les architectures
optimales, d’en modéliser le comportement énergétique et d’en définir les lois gestion
énergétique,
 La conception de véhicules hybrides afin de tester les composants et les lois de
gestion d’énergie détermi nées théoriquement,
 D’expérimenter des véhicules, pour valider leur fonctionnement en conditions
d’usage.
 Améliorer les algorithmes d’estimation de l’état de charge des batterie s

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REFERENCE

[1] ELKHLIFI Younes « système de gestion de l’état d e charge des unité de stockage dans
un véhicule hybride ». Rapport de projet de fin d’étude Master -ENSET rabat 2012.
[2] http://www.eia.doe.gov/steo/contents.html. Accessed 11 April 2009
[3] Rapport du GIEC (2007) Bilan 2007 des changements climatiques : Rapport de
synthèse.
[4] Transport et émission de CO2 : Quel progrès ? -conférence européenne des ministres
des transports -2007.
[5] Joseph BERETTA « Motorisation hybride thermique -électrique » [bm2760], Éditions
Techniques de l’Ingénieur 2008.
[6] Te chnology Roadmaps Electric and plug -in hybrid electric vehicles (EV/PHEV),
International Energy Agency www.iea.org
[7] www.ti.com
[8] Fundamentals and Applications of Lithium -ion Batteri es in Electric Drive Vehicles, First
Edition.Jiuchun Jiang and Caiping Zhang. 2015

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PROPOSITION D’UNE SEQUENCE PEDAGOGIQUE

« Acquisition d’un grandeur physique »
Problématique
Afin d’assurer le bon fonctionnement d’une batterie Li-ion d’un vé hicule hybride dans les
conditions de sécurité, le système de gestion BMS doit protéger la batteri e contre les haute
températures, les fort courts et tensions, pour contrôler ces paramètre en temps réel le BMS
a besoin des capteurs spécifiques pour acquér ir ces grandeurs physique.
Comment faire le choix entre les différents capt eurs existant en fonction du coû t et
performance ?

Formation concernée : BTS système électronique
Niveau : 2em Année 1 semestre
PREREQUIS :
Amplification, filtrage analogique .
OBJECTIFS :
 Connaître le rôle du capteur.
 Savoir caractériser un capteur (sensibilité, linéarité, temps de réponse, bande passante,
…).
 Connaître les principales familles de capteurs et les identifier.

Compétence visée
A2 : analyser un schéma structurel
E1 : exploiter un document technique

Modalité
période Semestre 1
modalité cours TD TP évaluation
Volume horaire 4h 2h 4h 2h

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Extrait du référentiel
Savoir associée