Etat de l`art et Modélisation de Battery Management Systems

Mémoire de Projet de Fin d’Etudes
Etat de l’art et Modélisation de Battery Management Systems
innovants
Timothée LAMBERT
INSA de Strasbourg
Spécialité Génie Electrique - Option Energie
Dates du stage : 07 avril 2014 - 19 septembre 2014
Tuteur entreprise : Jean-François HUG
Tuteur INSA : Jean-Michel HUBE

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Remerciements
Tout d’abord, je souhaite adresser mes remerciements à la société Technology & Strategy ainsi
qu’à Jérémie HUSS, directeur de la filiale Engineering, pour leur accueil et leur confiance. Je me
suis vu confier la première étape d’un projet destiné à être développé par la société, ce qui n’a
rendu mon sujet de Projet de Fin d’Etudes que plus intéressant et enrichissant.
Je remercie également mon tuteur de stage Jean-François HUG, consultant T&S, pour son suivi,
son aide et ses précieuses réponses tout au long du projet. Pour les mêmes raisons, je tiens à
exprimer ma reconnaissance aux membres du centre R&D ainsi qu’au pôle Hybride de T&S.
De plus, je remercie M. HUBE, professeur à l’INSA de Strasbourg, pour m’avoir encadré durant
mon stage, ainsi que toute l’équipe pédagogique de la spécialité Génie Electrique de l’INSA
Strasbourg.
Enfin, je tiens à remercier ma famille et particulièrement mes parents, mon frère et mes
grands-parents pour m’avoir soutenu et « tenu les pouces » tout au long de ma scolarité.
Timothée LAMBERT
Etudiant 5ème année Génie Electrique à l’INSA de Strasbourg

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Fiche d’objectifs
1ère partie : Etat de l’art des BMS existants et en cours de développement
- Etude de publications scientifiques IEEE
- Détermination des critères de différenciation des BMS
- Rédaction d’un compte-rendu
2ème partie : Modélisation d’une batterie de cellules
- Prise en main puis modification d’un modèle existant
- Tests et validation du nouveau modèle
3ème partie : Modélisation et comparaison de différents systèmes d’équilibrage de
cellules de batterie
- Spécifications des algorithmes de modélisation
- Modélisation des différents BMS
- Simulations et tests avec le modèle de batterie réalisé
- Validation des modèles de BMS
- Comparaison des différents systèmes, interprétation des résultats
- Choix d’une solution de BMS pertinente
4ème partie : Etude et modélisation d’une batterie reconfigurable
- Recherches bibliographiques sur ce type de batterie
- Modélisation

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Résumé
PROJET DE FIN D’ETUDES
Auteur : Timothée LAMBERT
Promotion : Génie Electrique option
Energie INSA Strasbourg 2014
Titre : Etat de l’art et modélisation de
Battery Management Systems innovants
Soutenance : 19 septembre 2014
Structure d’accueil : Technology & Strategy, 4 Avenue de la paix, 67000
Strasbourg
Résumé : Le stockage d’énergie électrique est une problématique essentielle
qui se pose dans de nombreux domaines : automobile, électronique, énergies
renouvelables. La batterie de cellules électrochimiques est le moyen actuel le
plus employé pour conserver puis fournir de l’électricité à un système
embarqué. Afin de garantir le fonctionnement optimal et sans danger d’une
batterie, un Battery Management System (BMS) doit nécessairement surveiller
et protéger ses cellules. Dans le but de réaliser un état de l’art des BMS,
différents systèmes ont ainsi été étudiés et répertoriés dans un même
document. Dans un deuxième temps, ces systèmes ont été modélisés et
comparés à l’aide des logiciels Matlab/Simulink afin de déterminer quelle
solution est la plus efficace. Enfin, un modèle de batterie de cellules
reconfigurables à l’aide d’une matrice d’interrupteurs a été réalisé.
Mots clés : Battery Management System, Matlab, Simulink, Modélisation
haut niveau, Balancing, Batterie reconfigurable
Title : State of the art and simulation of innovative Battery Management System
Abstract : The question of electric energy storage is raised in many fields of
today’s industry : vehicles, electronics, renewable energies. To conserve and
provide electricity to an embedded system, the most common solution of
these years has been the battery of electrochemical cells. In order to guarantee
its functional efficiency and protection, a Battery Management System (BMS)
is necessary. This electronical circuit monitors and improves the lifetime of
each individual cell. First, many different BMS solutions have been studied and
presented in a state of the art paper. Secondly, these solutions have been
simulated and compared using Matlab/Simulink so as to determine which is the
most efficient. Finally, a reconfigurable battery model has been realised.

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Sommaire
Remerciements ....................................................................................................................................... 1
Fiche d’objectifs ...................................................................................................................................... 2
Résumé .................................................................................................................................................... 3
Introduction ............................................................................................................................................ 6
1 Présentation de l’entreprise ........................................................................................................... 7
1.1 Histoire et chiffres ................................................................................................................... 7
1.2 Les domaines d’activités.......................................................................................................... 8
1.3 Organisation de T&S Engineering ............................................................................................ 9
2 Présentation du projet ................................................................................................................. 10
2.1 Contexte du projet ................................................................................................................ 10
2.2 Le sujet de stage .................................................................................................................... 11
2.3 Lieu et suivi du projet ............................................................................................................ 11
2.4 Le déroulement du projet : gestion et méthodologie ........................................................... 12
3 Etat de l’art.................................................................................................................................... 13
3.1 Réalisation du compte rendu ................................................................................................ 13
3.2 Généralités sur les Battery Management Systems ............................................................... 13
3.3 La charge et la décharge ........................................................................................................ 16
3.4 Le balancing ........................................................................................................................... 20
3.5 Les batteries reconfigurables ................................................................................................ 24
3.6 Recommandations et conclusion sur l’état de l’art .............................................................. 26
4. Modélisation Matlab d’une batterie de cellules ......................................................................... 27
4.1 Hypothèses et adaptation du modèle de batterie existant .................................................. 27
4.2 Implémentation du nouveau modèle de batterie dans le modèle Ecar ............................... 31
5. Modélisation et simulation des systèmes de balancing .............................................................. 33
5.1 Balancing passif ..................................................................................................................... 33
5.2 Balancing inductif .................................................................................................................. 36
5.3 Comparaison des solutions de balancing .............................................................................. 41
5.4 Conclusion sur le balancing ................................................................................................... 44
6. Modélisation d’une batterie reconfigurable ............................................................................... 45
6.1 Présentation du modèle et spécifications ............................................................................. 45
6.2 Réalisation technique du modèle .......................................................................................... 47
Conclusion ............................................................................................................................................. 50
Bibliographie ......................................................................................................................................... 51