# Equilibrage dans les batteries lithium-ion - Pourquoi et comment ?

Serge Pelissier

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## To cite this version:

Serge Pelissier. Equilibrage dans les batteries lithium-ion - Pourquoi et comment ?. École d'ingénieur. France. 2025. hal-05102019

HAL Id: hal-05102019

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Submitted on 7 Jun 2025

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# Equilibrage dans les batteries lithium-ion

## Pourquoi et comment ?

Serge PELISSIER – Directeur de recherche

Université Gustave EIFFEL
* Un pack batterie est constitué d'un assemblage de cellules toujours en série (pour augmenter la tension) et parfois en parallèle (pour augmenter le courant)

* Le bon fonctionnement d'un assemblage série suppose que toutes les cellules assemblées soient identiques (en capacité, impédance et état de charge)

* Lors de la fabrication d'une batterie neuve cette uniformité est assurée par un tri éventuel des cellules

* Au cours du fonctionnement, des disparités peuvent apparaître :

* Disparité d'état de charge (par exemple à cause de l'autodécharge)

* Disparité de capacité ou de résistance interne (par exemple à cause du vieillissement)

* Ces disparités perturbent le bon fonctionnement de la batterie et peuvent nécessiter des actions correctives

* Un déséquilibre d'état de charge une altération réversible qui peut être corrigée

* Un déséquilibre de capacité ou de résistance est une altération permanente qui ne peut pas être corrigée – sauf par remplacement de la cellule concernée. Elle peut seulement être compensée

* Une opération d'équilibrage peut traiter les déséquilibres d'état de charge ou de capacité
# Le problèmes des associations en série de cellules Lithium-ion

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## Cas d'éléments équilibrés

- 100% de la capacité disponible

- Limites de tension respectées

- Limites de courant respectées

Décharge

Charge

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## Cas d'éléments non équilibrés

- 100% de la capacité <u>non disponible</u>

- Limites de tension <u>non respectées</u>

- Limites de courant respectées

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* Nécessité de **surveillance de la tension de chaque cellule** de la batterie (par le BMS)

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* Besoin d'équilibrage pour respecter les limites de tension en utilisation

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* On distingue l'équilibrage **dissipatif** et le **non-dissipatif** (= **distributif**)
# Equilibrage dissipatif des batteries

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Source : J. Cao IEEE-VPPC 2008

## Equilibrage par résistance

* Commande facile : Décharge des cellules les plus chargées dans une résistance

* « Coûteux » en énergie (mais sans gravité car faible occurrence)

## Très largement utilisé

*Des circuits spécialisées existent ⇒*

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*Exemple de réalisation BQ77910A*
# Equilibrage non dissipatif ou distributif des batteries

**Principe** : on ne dissipe pas l'énergie excédentaire des cellules « trop » chargées ; on la transfère dans les cellules moins chargés

Il en découle une amélioration du rendement du dispositif (moins de pertes)

Il existe de nombreuses solutions et architectures pour réaliser un équilibrage distributif

Elles se distinguent par la facilité de commande et la rapidité du transfert de l'énergie

Ces solutions sont plus onéreuses – elles sont rarement employées, seulement dans des applications où l'énergie est très « précieuse » (par exemple dans les satellites)

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Source : J. Cao IEEE-VPPC 2008

## Equilibrage par condensateur

* Commande facile : commutation des condensateurs tant qu'un déséquilibre de tension existe entre les cellules

* Equilibrage peu rapide : l'énergie transite entre les cellules « voisines »
# Equilibrage non dissipatif (ou distributif) des batteries

## Equilibrage par transformateur

* Commande complexe : identification de la cellule la plus chargée et action sur celle-ci

* Equilibrage rapide : l'énergie transite directement de la cellule la plus chargée vers la cellule la moins chargée grâce au couplage magnétique et aux diodes

Beaucoup de configurations sont envisageables et font l'objet de recherche pour améliorer les transferts d'énergie et baisser les coûts d'intégration

Ce type d'équilibrage est naturellement possible dans les dispositifs de chargeur multi-convertisseurs où chaque cellule est associée à un chargeur élémentaire

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Source : J Gallardo-Lozano et al. Journal of Power Sources 2014

## Quels sont les avantages de l'équilibrage non dissipatif ?
Cas 1 : déséquilibre d'état de charge entre des éléments

• autodécharge (effet +/- permanent selon la durée)

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Les 2 types d'équilibrages permettent de restaurer la capacité de l'assemblage
Cas 2 : déséquilibre de capacité entre des éléments

• vieillissement

• effet permanent (à chaque cycle)

Equilibrage dissipatif

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→ L'équilibrage dissipatif ne permet pas d'utiliser toute l'énergie stockée

→ La capacité de l'ensemble est limitée par l'élément de plus faible capacité
Cas 2 : déséquilibre de capacité entre des éléments

• vieillissement ou dispersion

• effet permanent (à chaque cycle)

Equilibrage distributif

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↔ L'équilibrage distributif permet d'utiliser toute l'énergie stockée (importance de la rapidité d'équilibrage ↔ valeur du courant d'équilibrage)
Conclusion sur l'équilibrage des batteries lithium ion

* L'équilibrage est **obligatoire** pour assurer la sécurité du fonctionnement

* L'équilibrage dissipatif est **très majoritairement** employé dans les applications usuelles (automobile, informatique, ...)

* L'équilibrage distributif est actuellement employé dans les applications spéciales où l'énergie est « **précieuse** » et donc chère (spatial,...)

* Sur des batteries « **neuves** » et **homogènes**, l'équilibrage distributif n'apporte pas d'avantage par rapport à l'équilibrage dissipatif

* L'équilibrage distributif présente un avantage en cas de déséquilibre de **capacité entre cellules d'un pack**. Avec un système dissipatif la capacité d'un pack est **limitée par la plus petite capacité de ses cellules**. Avec un système distributif, toute l'énergie d'un pack **peut être utilisée**

* L'équilibrage distributif est intéressant pour des **packs « vieillis » (non homogènes)** comme ceux rencontrés dans la **seconde vie des batteries**