Qu’est-ce qu’un BMS ? À quoi ça sert, comment ça marche, et quel modèle choisir pour ses batteries Lithium 18650 ?

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BMS : voilà un terme qu’on entend très souvent, dès lors qu’on s’intéresse à coupler des batteries lithium entre elles ! Mais que signifie réellement ce terme ? Et par ailleurs, à quoi ça sert vraiment un BMS, comment fonctionne-t-il, et quel modèle choisir ? Voilà bien des questions, auxquelles nous allons essayer de répondre ici, dans le présent article !

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Mais avant de commencer, quelques mots sur moi : je m’appelle Jérôme, et suis un passionné d’électronique depuis plus d’une trentaine d’année. Ici, j’ai à cœur de partager avec vous toutes mes connaissances sur ce site dédié à l’électronique. Par contre, quand bien même mon expérience resterait solide, je ne suis pour autant ni professionnel, ni enseignant, ni expert en la matière. Donc faites attention 😉

Qu’est-ce qu’un BMS exactement ?

Venant de l’anglais « Batterie Management System », un BMS est tout simplement un organe de sécurité « intelligent », permettant de protéger une batterie ou un ensemble d’accumulateurs, contre des circonstances potentiellement dommageables, à plus ou moins long terme. Cette protection est d’ailleurs multiple, car les BMS protègent de plusieurs choses à la fois, avec de base, des protections contre tout ce qui est surtension, sous-tension, et surintensité.

La démocratisation des BMS s’est faite essentiellement avec l’arrivée des batteries au Lithium entre nos mains, car il était inconcevable de ne pas avoir de telles protections à ce niveau ! En effet, l’absence de sécurité au niveau des cellules lithium, que ce soit au moment de la charge ou de la décharge, peut conduire à des départs d’incendies, des dégagements gazeux très dangereux, ou des explosions soudaines (pouvant aussi bien endommager les batteries en elle-même, que tous les biens et personnes aux alentours). Le risque est donc très sérieux, dès lors qu’on parle de batterie au lithium, d’où l’utilité des BMS, et de leur popularité.

Au final, les BMS sont donc des instruments de mesure, contrôle, et gestion de batteries, assurant une protection aussi bien pour les batteries elles-mêmes, qu’au niveau des personnes et biens situés aux alentours, proches ou immédiats.

Physiquement, les BMS se présentent le plus souvent sous la forme d’une plaquette électronique, ronde ou rectangulaire, et bien évidemment, adaptée à ce qu’elle est sensée protéger. Sa taille peut donc être très variable, allant de la mini plaquette pour protéger un accu individuel, au « gros boîtier » multifils, lorsqu’il s’agit de gérer plusieurs accus à la fois. Dans tous les cas, son rôle reste toujours fondamentalement le même : protéger les accus, afin que leur durée de vie ne soit pas écourtée, et prévenir tout accident de manière proactive (début d’incendie, dégagement gazeux, explosion, …), en protégeant également au possible les biens et les personnes environnantes.

Quelle est l’utilité d’un BMS ?

Un BMS sert aussi bien à protéger un accu individuel, qu’un ensemble d’accumulateurs (pack). Mais dans tous les cas, de manière générale, Il assurera au minimum :

  • Une protection contre les surtensions : le BMS évite la surcharge des éléments, sans quoi cela conduirait à leur destruction pure et simple, à plus ou moins long terme. Par exemple, pour des batteries lithium, il faudra toujours s’assurer de ne jamais dépasser une certaine tension aux bornes de chaque accu. Cette tension maxi, toujours précisée par le fabricant dans sa documentation constructeur (datasheet), se situe généralement aux environs de 4,2 volts.
  • Une protection contre les sous-tensions : un BMS permet d’isoler une batterie de sa charge, afin d’éviter toute décharge profonde, qui raccourcirait sa durée de vie. Pour des batteries lithium, par exemple, il faudra en aucun cas que la tension d’un accu soit plus basse qu’une certaine valeur, spécifiée par le fabricant (généralement proche de 2,5 volts).
  • Une protection contre les surintensités : les BMS permettent également de protéger les batteries contre les surintensités, c’est-à-dire tout ce qui est courts-circuits ou courants trop importants, pouvant détruire les accus par échauffement excessif (puisque là encore, les fabricants d’accus lithium indiquent sur leurs datasheets, des intensités maxi à ne pas dépasser, aussi bien en charge, qu’en décharge).

Au-delà de ces fonctions « de base », certains BMS peuvent apporter d’autres protections, complémentaires à celles-ci. C’est ainsi qu’on retrouve des fonctions de contrôle et gestion avancées (telle que le rééquilibrage des éléments), couramment sur les BMS nouvelle génération. Bien sûr, tout varie d’un modèle à l’autre, et certaines choses peuvent simplement être en option, ou de série. Cela étant dit, voici les protections supplémentaires qu’on peut également trouver sur un BMS :

  • Une fonction d’équilibrage : ces modèles de BMS là permettent de ramener tous les accus au même niveau (à la même tension, plus exactement), pour assurer une usure « symétrique » sur tous les éléments, dans l’optique d’allonger la durée de vie de l’ensemble, avec un rendement global plus élevé à long terme.
  • Une mesure de température : certains BMS intègrent une sonde de température, leur permettant de couper la charge ou la décharge, selon la température relevée à même les accus (ou sur les organes de pilotage, tels que les transistors Mosfet). Ainsi, les batteries sont protégées si jamais certains éléments atteignent des températures anormales.
  • Un paramétrage personnalisé : sur les BMS évolués, on peut paramétrer beaucoup de choses (nombre d’éléments en série, seuils haut et bas de tension ou courant, intensité d’équilibrage, …), ce qui permet un meilleur contrôle et management des cellules. À noter que ces paramétrages peuvent parfois même se faire directement sur Smartphone, via une application dialoguant directement en bluetooth avec le BMS. Ces BMS sont dits « communiquant ».
  • L’affichage LCD local ou déporté : sur certains BMS à raccordements multiples, on trouve parfois des écrans d’affichage LCD, à même les BMS ou déportables via quelques fils, permettant de monitorer chaque accu ou pack d’accus, en temps réel.

Où trouve-t-on un BMS normalement ?

Comme le rôle d’un BMS est par définition de protéger et gérer chaque batterie ou élément de batterie, on en trouve dans tous les appareils équipés de batterie, … ou presque ! Évident me direz-vous 😉

En fait, les BMS se trouvent essentiellement sur les batteries risquant réellement de s’endommager, ou d’endommager les personnes et biens aux alentours, en cas de tension trop haute ou trop basse, ou de courant trop important. C’est pourquoi on les retrouve principalement sur les batteries Lithium, ou toute autre batterie de conception récente, parce que celles-ci nécessitent une protection permanente, et indispensable. Par contre, vous aurez peu de chance de trouver un BMS dans une vieille batterie au plomb de voiture !

Du reste, on trouve des BMS dans quasiment tous les objets récents fonctionnant sur accus au lithium, tels que les ordis portables, les tablettes, les liseuses, les téléphones portables, mais également les rasoirs, les tondeuses, et tout un tas d’appareils sans fils.

Au niveau intégration, ces BMS peuvent être aussi bien logés à l’extérieur des accus, que « dedans » (c’est le cas pour certaines « piles » lithium). On peut donc trouver ces deux formats un peu partout, dans tous nos appareils fonctionnant sur pile lithium. Et je dirais même qu’il ne devrait pas exister un seul appareil utilisant des batteries li-ion qui ne soit pas doté de BMS, … enfin j’espère, pour le bien de tous !

Comment fonctionne un BMS sur batterie Lithium Ion ?

Le fonctionnement global des BMS est généralement le même, quel que soit la forme de celui-ci. Par contre, certains modèles ont plus de fonctionnalités que d’autres, tout simplement.

De base, chaque BMS tire son énergie de la ou des batteries sur lesquelles il est branché, et qu’il cherche à gérer et à protéger. Il n’y a donc besoin d’aucune alimentation extérieure, pour le faire fonctionner.

Au niveau des équipements présents sur les BMS « standard », qu’on retrouve classiquement sur les packs de batteries lithium, on peut relever :

  • Des transistors mosfets, qui pilotent chaque cellule de batterie individuellement
  • Des résistances de shunt, permettant indirectement de calculer le courant alimentant chaque cellule, ainsi que mesurer chaque tension précisément
  • Des circuits spécialisés pour agir en fonction des tensions et courants mesurés (évitant ainsi tout ce qui est surtension, sous-tension, surcharge, …)
  • Des bornes de raccordement de puissance pour les câbles de charge et décharge du pack de batterie
  • Des bornes d’équilibrage (généralement notées 0, 4.2v, 8.4v, 12.6v, 16.8v, …, ou via des lettres telles que B1, B2, B3, …). À noter qu’au-delà d’un certain nombre de fils, on passe ici sur des connecteurs multifilaires, pour faire le lien entre le BMS et chaque liaison inter-accu
  • Des bornes pour raccorder une sonde de température, afin d’interrompre la charge ou la décharge, en cas de surchauffe (température anormale, j’entends)

Sachant tout cela, on peut donc dire que le fonctionnement d’un BMS multi-accus est double :

  • Il sécurise la charge et décharge des accus branchés dessus, d’après les informations qu’il peut relever au niveau de chaque point de liaison inter-cellule, et de l’ensemble
  • Il équilibre toutes les cellules entre elles, lorsqu’il est équipé d’une fonction équilibrage, afin qu’elles aient toutes la même tension ; ainsi, l’usure de chacune d’elles sera identique au possible, pour une durée de vie plus conséquente

Comment raccorder un BMS avec équilibrage ?

Le raccordement d’un BMS en soi n’a rien de compliqué. Car il s’agit ni plus ni moins que de mettre en place quelques fils, plus ou moins gros, pour assurer la charge, la décharge, et tout ce qui est gestion/contrôle/équilibrage des éléments.

Pour illustrer cela, voici un exemple de raccordement BMS, prévu pour la gestion de 4 accus lithium branchés en série.

Branchement BMS 4S pour accus lithium 18650 branchés en série, avec équilibrage et entrée sortie pour charge ou décharge du pack batterie li-ion

Comme vous l’avez certainement remarqué, chaque accu est « vu » par le BMS, autant par sa borne positive, que sa borne négative. Par ailleurs, les câbles de branchement ont un diamètre bien plus importants aux extrémités, que ceux revenant au BMS, pour la mesure de valeurs intermédiaires. Ce qui est normal, car ces derniers ne servent au plus qu’à faire passer quelques milliampères pour rééquilibrer les niveaux d’accus entre eux, en dehors des mesures de tension.

Un BMS sonde donc tous les « étages » de cellules lithium mis en série, pour assurer le contrôle de bon fonctionnement de chaque élément pris individuellement, tout comme de l’ensemble. Du reste, on retrouve deux fils supplémentaires sur cette plaquette, notés B+ et B-, sur lesquelles viendront se fixer les fils de charge et décharge, de ce pack batterie. Au-delà de ça, on ne trouve rien de plus, si ce n’est parfois quelques entrées pour y brancher une sonde de température, permettant de sécuriser encore plus l’ensemble.

Les BMS plus évolués suivent d’ailleurs ce même schéma de raccordement global, à ceci près que l’agencement des fils peut différer quelque peu.

Quels sont les différents types de BMS ?

Principalement, on trouve 3 types de BMS sur le marché :

  • Les modèles de base, avec protection contre les surtensions, sous-tensions, et surintensités
  • Les modèles avec équilibrage, un peu plus évolués, ajoutant une fonction d’équilibrage en plus de toutes les fonctions précédentes
  • Les modèles évolués (« SmartBMS »), permettant de gérer un plus grand nombre d’éléments, tout en étant potentiellement communiquant, via Bluetooth par exemple (connexion au Smartphone ou PC)

Outre cette catégorisation, vous aurez certainement remarqué une mention toute particulière, accompagnant chaque BMS, ainsi que chaque pack d’accumulateurs. Celle-ci est du style :

Xs (pour les BMS) et XsYp (pour les BATTERIES)

Où :
« X » indique le nombre de cellules en série
« Y », le nombre de cellules en parallèle
– et « s » et « p » signifiant respectivement « série » et « parallèle »

Ainsi, si vous voyez un BMS noté 4S, c’est qu’il s’agit d’un BMS prévu pour protéger 4 accus en série. Autre exemple : si vous êtes face à une batterie marquée « 7s3p », c’est qu’elle est composée d’une série de 7 fois 3 cellules en parallèle. Et si je vous parle de ça, c’est parce qu’il va falloir mettre en relation le « bon » BMS, avec la « bonne » batterie ! C’est à dire qu’il faudra un BMS 5S pour une batterie 5sYp, par exemple (« Y » pouvant être n’importe quel nombre, dans les limites des possibilités du BMS, en terme de courant max admissible)..

J’en profite d’ailleurs pour vous faire une petite parenthèse sur les raccordements internes des batteries type XsYp :

  • « Y » signifie bien le nombre de cellules en parallèle
  • mais « X » signifie plus exactement le nombre de « pack de Y cellules » en série

Vous êtes perdu ? Ne vous inquiétez pas, je vais vous illustrer tout ça !

Voici par exemple une batterie 6s8p, vue de l’intérieur ! Comme vous le verrez, ce sont à chaque fois 8 accus qui sont mis en parallèle, et il y aura 6 blocs de 8 accus mis au final en série, comme visible ci-dessous :

Schéma batterie 6s8p lithium ion avec équilibrage BMS, branchement série parallèle de cellules 18650 li-ion, raccordement de puissance électronique

À noter qu’idéalement, les BMS ne devraient pas avoir à gérer des batteries avec des branchements parallèles en interne. Car lorsque c’est câblé ainsi, bon nombre de systèmes de contrôle du BMS sont inefficaces, à certains niveaux. Par exemple : si un élément venait à être partiellement défaillant, et qu’il venait à décharger les autres accus branchés en parallèle sur lui, cela n’activerait probablement aucune des protections du BMS, alors que les performances de l’ensemble commenceraient à se dégrader. Donc seul le branchement série permet un contrôle efficace et sûr des tensions et courants de chaque cellule, avec un BMS. Bien entendu, en pratique, on effectue couramment des branchements en parallèle de cellules lithium sans soucis, mais en connaissance de cause !

Quel BMS choisir pour batterie lithium ?

Comme vous l’aurez compris, à chaque batterie correspond son BMS. Du coup, pour vous aider à choisir le vôtre, je dirais que deux choix s’offrent à vous :

  • Si vous n’avez qu’un tout petit budget, ou peu de cellules reliées en série : vous pouvez acheter un petit BMS au format « platine électronique », idéal pour tout ce qui va de 2S à 5S, et accessible pour quelques euros seulement. Au niveau courant, par ailleurs, on peut facilement monter jusqu’à 40 ou 50A, donc pas de soucis pour les « petits projets ».
  • Si vous avez un peu plus de moyens, ou beaucoup de cellules à relier en série : alors les SmartBMS sont plus intéressant ici, car ils sont vraiment dédiés aux packs de batteries de moyenne à grosse taille. Au niveau raccordement, ils permettent donc de raccorder beaucoup de cellules en série (7S et plus, sans aucun problème !). De plus, ils sont paramétrables à souhait, pour certains, et peuvent monter très haut niveau intensité (on peut facilement dépasser les 100 A, sans sourciller !).

Dans tous les cas, pour choisir votre BMS, il faudra tout d’abord vous poser les questions suivantes :

  • Combien d’éléments seront branchés en série, dans ma batterie ? Cela permettra de choisir un BMS « Xs » en fonction de sa batterie « XsYp », comme vu précédemment.
  • Quel sera le courant maximum que pourra débiter cet ensemble de batterie ? Cela permettra de choisir l’ampérage max du BMS à prévoir (fonction de chaque élément)

Car ce sont ces caractéristiques de base des BMS que vous verrez apparaître « en gros », à côté de leur nom. D’où leur importance, pour caractériser votre choix !

Conclusion

Comme vous l’aurez constaté, des BMS il en existe de toutes les tailles, de toutes les formes, et à tous les prix. Mais il faut vraiment le voir de manière positive. Car cela signifie qu’on peut à coup sûr trouver le modèle idéal pour sa batterie 😉

Par contre, avant tout achat, posez-vous les questions suivantes :

  • Quel sera le courant maxi dont j’aurais besoin ? (en continu, et en pointe)
  • Quelle sera la tension nominale et maxi de chaque accu ou pack d’accus mis en série ?
  • Aurais-je besoin de fonctions particulières ? (contrôle de température, équilibrage dynamique, …)
  • Aurais-je besoin d’accéder à ces infos en local, ou à distance ? (écran LCD, connexion bluetooth, …)
  • Et surtout, quelle limite je me pose, au niveau budget !

Car c’est en prenant en compte tous ces paramètres que vous arriverez très certainement à trouver le BMS idéal pour vous. Alors, dans tous les cas, prenez votre temps avant tout achat de BMS, réfléchissez-bien, posez tout à plat, et surtout : ne vous précipitez pas !

Voilà !

Nous voici au terme de cet article ! En espérant qu’il aura pu vous apporter des réponses concrètes à toutes les questions que vous vous posez ! À bientôt !

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(*) Mis à jour le 27/09/2021