Fonctionnement des batteries et des systèmes de gestion de batterie (BMS) — Molicel, DJI, Samsung SDI

Une batterie convertit l'échange d'électrons issu d'une réaction chimique en courant électrique utilisable. Une batterie lithium-ion, en particulier, tire son énergie de la différence de potentiel créée par le déplacement des ions lithium entre une électrode positive et une électrode négative. Lorsqu'on évoque les facteurs de performance d'un robot ou d'un drone, on s'attarde souvent sur les capteurs comme les LiDAR ou les centrales inertielles (IMU). Pourtant, en pratique, ce qui limite véritablement l'autonomie, la capacité d'emport et la marge de sécurité d'un véhicule est presque toujours la batterie et son système de gestion (BMS). Aussi performants que soient les capteurs ou les moteurs, si le système d'alimentation constitue le goulot d'étranglement, l'appareil ne vole pas et le robot ne se déplace pas.

Cellules lithium-ion cylindriques 18650 (à gauche) et 21700 (à droite)

Intérieur d'une batterie : plusieurs cellules câblées en série/parallèle, et carte BMS

Images : 18650 et cellule de batterie lithium-ion 21700 (Sevenethics, CC0) / Lithiumion-laptop-battery-internals (Lead holder, CC BY-SA 3.0), tous deux sous Wikimedia Commons.

Principe : circulation des ions lithium entre l’électrode et la cathode, et la contrainte appelée taux de charge/décharge (taux C)

Lors de la décharge, les ions lithium retenus dans l’électrode négative (généralement du graphite) migrent à travers l’électrolyte vers l’électrode positive (un oxyde de métal de transition tel que l’oxyde de lithium-cobalt). Simultanément, les électrons circulent dans le circuit externe vers l’électrode positive, générant un courant. Pour le couple classique graphite-anode / oxyde de lithium-cobalt-cathode, les demi-réactions peuvent être écrites comme suit.

Lors de la charge, cette réaction s’inverse : une source d’énergie externe force les électrons à retourner dans l’électrode négative, repoussant ainsi les ions lithium vers cette électrode. La combinaison spécifique des matériaux d’électrode détermine la tension nominale, la densité énergétique et les caractéristiques de sécurité ; c’est précisément de là que proviennent les différences de chimie (NMC, NCA, LiFePO4, etc.) entre les produits comparés ci-dessous.

Modèle de décharge d'une batterie lithium-ion (conception électrolyte liquide/séparateur)

Image : General schéma de décharge d'une batterie Li (Sdk16420, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons.

Pour les applications robotiques et les drones, le « taux de charge/décharge » est une mesure plus importante en pratique que l'électrochimie elle-même. Le taux de charge/décharge est une valeur sans dimension qui exprime le multiple de la capacité nominale d'une cellule (en Ah) que représente le courant réel (en Ah).

Par exemple, un courant de 45 A tiré d'une cellule de 4,2 Ah correspond à un taux de décharge d'environ 10,7 C. Dans les drones et les robots à pattes qui nécessitent des courants instantanés importants pour alimenter leurs moteurs, le choix d'une cellule incapable de supporter un tel taux de décharge ne se limite pas aux performances (chute de tension et échauffement dû à la résistance interne) ; il accroît également le risque de dégradation accélérée et d'emballement thermique. La densité énergétique (Wh/kg, Wh/L) et la capacité de décharge à taux de décharge élevé sont antagonistes, et ce compromis influe directement sur les besoins en courant du côté actionneur (moteur) du système.

Ce même principe sous-tend l'estimation de l'état de charge (SOC) effectuée par un système de gestion de batterie (BMS). La méthode la plus simple, le comptage de Coulomb, intègre le courant dans le temps pour suivre la capacité restante.

Cette équation présente la même structure que l'intégration de la vitesse angulaire pour l'estimation d'attitude dans une centrale inertielle (IMU), et elle souffre du même problème : les erreurs de mesure du capteur de courant s'accumulent au fil du temps sous forme de « dérive ». En pratique, un système de gestion de batterie (BMS) réinitialise périodiquement l'erreur de comptage de Coulomb en se référant à la tension en circuit ouvert (OCV) — la relation entre l'OCV et l'état de charge (SOC) lorsque la batterie est à vide — ou fusionne la référence OCV avec le courant intégré à l'aide d'un filtre de Kalman étendu.

Batteries à semi-conducteurs : le remplacement de l'électrolyte liquide par un solide

Presque toutes les batteries lithium-ion actuellement en service utilisent un solvant organique liquide inflammable comme électrolyte séparant les électrodes positive et négative. Une batterie tout-solide remplace cet électrolyte liquide par un électrolyte solide — céramique (à base d'oxyde), sulfure ou polymère — ce qui réduit structurellement le risque de fuite et d'incendie lié à un solvant volatil. Cela ouvre également la voie à l'utilisation du lithium métal lui-même comme anode (dépôt et dissolution directs du lithium, sans matériau hôte comme le carbone), ce qui peut augmenter considérablement la densité énergétique par unité de volume et de poids. Alors qu'une batterie lithium-ion classique affiche une densité énergétique d'environ 160 à 260 Wh/kg, les batteries à semi-conducteurs dépasseraient les 300 Wh/kg, certains résultats obtenus en laboratoire atteignant même 400 à 500 Wh/kg.

Schéma structurel d'une batterie tout solide

Image : All-Solid-State Battery (Luca Bertoli, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons.

Les défis sont tout aussi évidents. Les interfaces solide-solide ne permettent pas un contact aussi parfait qu'un électrolyte liquide ; la résistance interfaciale pose donc problème, et l'obtention d'une conductivité ionique équivalente à celle d'un électrolyte liquide constitue depuis longtemps le principal obstacle technique. Il s'avère également que l'hypothèse initiale — selon laquelle un électrolyte solide bloquerait physiquement la croissance des dendrites — n'est pas entièrement vérifiée : des études ont montré que les dendrites se propageaient à travers les joints de grains des électrolytes solides et provoquaient des courts-circuits internes. Le simple passage à un électrolyte solide ne garantit donc pas automatiquement la sécurité.

Rôle d'un BMS : surveillance, équilibrage et protection

Un BMS est un circuit de contrôle articulé autour de deux fonctions principales : la surveillance continue de la tension, du courant et de la température de chaque cellule d'une batterie, et l'équilibrage des cellules pour compenser les différences entre elles, tout en coupant le courant en cas de défaut (protection).

Carte de contrôle BMS intégrée à une batterie lithium-polymère (application pour ordinateur portable)

Image : Asus Zenbook UX31E - Contrôleur de batterie lithium-polymère (Raimond Spekking, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons.

L'équilibrage des cellules corrige les légères différences de tension et de capacité qui apparaissent inévitablement entre les cellules connectées en série au sein d'une batterie. L'approche la plus courante, l'« équilibrage passif », consiste à décharger légèrement les cellules à tension plus élevée à l'aide d'une résistance afin de les aligner sur les autres. Simple à mettre en œuvre, cette méthode présente toutefois l'inconvénient de dissiper l'énergie sous forme de chaleur. L'alternative plus onéreuse, l'« équilibrage actif », transfère l'énergie des cellules à tension élevée vers celles à tension plus basse, ce qui est plus économe en énergie mais complexifie le circuit. Sans équilibrage, la capacité effective de l'ensemble de la batterie est limitée par sa cellule la plus faible, une cellule dégradée étant plus susceptible de dériver vers la zone dangereuse de surcharge ou de décharge excessive.

La fonction de protection coupe le courant via un transistor MOSFET dès qu'elle détecte une surcharge, une décharge excessive, une surintensité, un court-circuit ou une surchauffe. Parallèlement, le BMS estime l'état de santé (SOH, le degré de dégradation de la batterie) – le rapport entre la capacité effective actuelle et la capacité initiale – et le transmet au contrôleur de vol ou au système de contrôle du robot, ce qui permet de maintenir la précision des estimations d'autonomie restante. L'ensemble de l'électronique embarquée, y compris le SBC (ordinateur monocarte), gère l'allocation de puissance et prend les décisions d'atterrissage ou d'arrêt d'urgence en fonction des données fournies par le BMS.

Comparaison des spécifications clés des produits

Une cellule à décharge rapide comme la P42A de Molicel convient aux applications exigeant des courants instantanés élevés — moteurs de drones ou articulations de bras robotisés — grâce à une conception qui optimise la capacité et le taux de décharge. À l'inverse, une cellule privilégiant avant tout la densité énergétique, comme les cellules Panasonic utilisées par Tesla, est généralement choisie pour les applications de véhicules électriques où le profil de charge du moteur est relativement stable. La TB65 de DJI n'est pas une cellule nue, mais un pack complet avec un système de gestion de batterie (BMS) intégré ; dans les opérations industrielles de drones, il est courant de considérer ces « batteries intelligentes » comme l'unité de fonctionnement plutôt que de gérer directement les cellules individuelles. Parmi les circuits intégrés de gestion de batterie, le BQ76952 de TI est une conception hautement intégrée qui regroupe même les pilotes MOSFET de charge/décharge sur une seule puce, tandis que le LTC6811-1 d'Analog Devices est spécialisé dans la mesure de la tension des cellules avec une grande précision (inférieure à 1,2 mV) et peut être connecté en série sur plusieurs puces pour gérer plus de 12 cellules par pack. Le fait que l'ASB de Samsung SDI livre des échantillons non seulement aux constructeurs de véhicules électriques, mais aussi aux clients spécialisés en intelligence artificielle embarquée et en robotique humanoïde, indique que les batteries à semi-conducteurs étendent considérablement leur champ d'application au-delà du secteur automobile.

Histoire : un sous-produit de la crise pétrolière, la commercialisation par Sony et un prix Nobel

L'origine des batteries lithium-ion remonte au début des années 1970. M. Stanley Whittingham découvrit que les ions lithium pouvaient être insérés et retirés de manière réversible de la structure lamellaire du disulfure de titane (TiS2). Après son arrivée chez Exxon, il prototypa une batterie basée sur ce principe. Cependant, l'anode en lithium métallique de l'époque présentait des problèmes de sécurité. Lorsque l'effondrement des prix du pétrole à la fin des années 1970 incita Exxon à réduire ses investissements dans la recherche sur les énergies alternatives, la commercialisation de cette technologie fut temporairement compromise.

En 1980, John Goodenough, de l'Université d'Oxford, réalisa une avancée majeure en matière de stabilité des batteries en utilisant l'oxyde de lithium-cobalt (LiCoO2) comme matériau de cathode. Akira Yoshino, chez Asahi Kasei, a ensuite associé la cathode LiCoO₂ de Goodenough à une anode en carbone dérivée du coke de pétrole, créant ainsi, dès 1985, une structure de batterie qui éliminait totalement le lithium métallique tout en conciliant sécurité et praticité. Cette structure de base reste à ce jour la conception dominante des batteries lithium-ion.

C'est Sony qui a franchi le pas vers la commercialisation : en 1991, Sony Energy Tec (aujourd'hui Sony Energy Devices) est devenue la première entreprise au monde à livrer des batteries lithium-ion. La coentreprise d'Asahi Kasei et de Toshiba a démarré la production l'année suivante, et Sanyo Electric et Matsushita Electric Industrial (aujourd'hui Panasonic) les ont rejointes en 1994. Les entreprises japonaises ont ainsi dominé le marché durant ses premières années. Cette avancée n'a été officiellement et largement reconnue qu'un quart de siècle plus tard : en 2019, le prix Nobel de chimie a été décerné conjointement à Whittingham, Goodenough et Yoshino.

Ce que le Boeing 787 a appris à l'industrie sur les limites d'un BMS et les frontières de la prédiction de la dégradation

Le plus grand rappel de batteries d'ordinateurs portables jamais effectué par Sony — En août 2006, Dell, Apple et plusieurs autres fabricants d'ordinateurs ont lancé un rappel massif d'ordinateurs portables équipés de batteries lithium-ion fabriquées par Sony. Un défaut de fabrication — une contamination par des particules métalliques — a été identifié comme pouvant provoquer des courts-circuits internes, une surchauffe et un incendie. Le rappel a finalement concerné environ 9,6 millions d'unités. La Commission américaine de la sécurité des produits de consommation (CPSC) l'a qualifié de « plus grand rappel d'ordinateurs » de son histoire. La part des coûts supportée par Sony est estimée à plusieurs centaines de millions de dollars. Ce rappel a servi de leçon à l'ensemble du secteur : aucune conception de BMS, aussi performante soit-elle, ne peut remplacer le contrôle qualité au niveau de la fabrication de chaque cellule.

L'emballement thermique qui a cloué au sol le Boeing 787 dans le monde entier — En janvier 2013, un Boeing 787 de Japan Airlines (JAL), stationné à l'aéroport international Logan de Boston, a été victime d'un dégagement de fumée et d'un incendie provenant d'une batterie lithium-ion fabriquée par GS Yuasa et alimentant son groupe auxiliaire de puissance. Dans un rapport publié en 2014, le Bureau national de la sécurité des transports (NTSB) des États-Unis a conclu qu'un court-circuit interne au sein d'une cellule avait provoqué un emballement thermique qui s'était propagé aux cellules adjacentes ; il s'agissait là de la cause directe. Autre point tout aussi important : l'enquête a explicitement noté que « le circuit de sécurité intégré au connecteur… [était] incapable d'arrêter un emballement thermique une fois amorcé ». En conséquence, l'Administration fédérale de l'aviation (FAA) américaine a immobilisé l'ensemble de la flotte de 787, une mesure exceptionnelle qu'elle n'avait pas prise depuis 1979. Un système de gestion de batterie (BMS) peut détecter les premiers signes de dysfonctionnement et couper le courant, mais il est fondamentalement impuissant à stopper une réaction en chaîne d'emballement thermique une fois qu'elle a commencé à l'intérieur d'une cellule — une limitation que cet incident a brutalement mise en évidence pour l'ensemble du secteur.

La batterie lithium-ion du groupe auxiliaire de puissance a brûlé lors de l'incendie du Boeing 787 de JAL en 2013 (photographiée par le NTSB)

Image : 1-7-12 Batterie du groupe auxiliaire de puissance du Boeing 787 (National Transportation Safety Board, domaine public), Wikimedia Commons.

Prédire la dégradation avant la panne — Chacun de ces incidents d'emballement thermique n'est devenu visible qu'après que la dégradation ou un défaut interne ait déjà franchi un certain seuil. La recherche visant à modifier ce schéma de « détection après la panne » est devenue l'un des principaux axes de recherche récents sur les systèmes de gestion de batterie (BMS). Un article publié en avril 2026, intitulé « A Deep Learning Model for Battery State Prediction toward Intelligent Energy Management » (arXiv:2605.00898), applique un modèle d'apprentissage profond à un vaste ensemble de données opérationnelles afin de prévoir la capacité restante et la trajectoire de dégradation d'une batterie. Il propose un cadre favorisant la maintenance prédictive et une gestion énergétique plus sûre. L'intégration de la prédiction de la dégradation basée sur les données à la combinaison classique du comptage de Coulomb et de la tension en circuit ouvert (OCV) est une approche susceptible de se généraliser dans la conception des systèmes de gestion de batterie (BMS) pour le secteur de la robotique et des drones, de plus en plus électrifié.

Paramètres déterminant les performances

• Densité énergétique (Wh/kg, Wh/L) : Détermine directement l'autonomie d'un drone ou le rayon d'action d'un robot terrestre autonome transportant une charge utile. Les batteries à semi-conducteurs visent des densités énergétiques supérieures à 300 Wh/kg, tandis que les batteries lithium-ion actuelles se situent autour de 160 à 260 Wh/kg. Cet écart représente précisément la marge de conception pour les plateformes de nouvelle génération.

• Taux de décharge (C) : Détermine si une cellule peut répondre aux besoins instantanés en courant élevé des moteurs et actionneurs. Une cellule à taux de décharge élevé comme la P42A de Molicel (45 A, environ 10,7 C) convient aux applications présentant d'importantes variations de charge, comme le saut d'un robot bipède ou l'accélération rapide d'un drone. En revanche, si l'on utilise une cellule à densité énergétique optimisée, les chutes de tension ou la chaleur peuvent empêcher la batterie de fournir sa puissance nominale.

• Durée de vie : Un chiffre comme celui de la DJI TB65 (jusqu'à 400 cycles) influe directement sur le coût d'exploitation, en fonction du nombre de cycles de charge/décharge que la batterie supporte. Dans les environnements à forte utilisation, comme les opérations quotidiennes de drones commerciaux, ce nombre détermine la fréquence de remplacement et le coût d'exploitation.

• Précision de l'équilibrage des cellules : La précision avec laquelle un BMS suit la tension des cellules (comme avec l'erreur de mesure inférieure à 1,2 mV du LTC6811-1) influe directement sur la capacité effective de la batterie et la durée de vie des cellules. Si un déséquilibre croissant n'est pas détecté, une seule cellule dégradée finit par limiter les performances de l'ensemble de la batterie.

• Vitesse de réponse du circuit de protection et ses limites : La rapidité avec laquelle un BMS détecte les surintensités ou les surchauffes et coupe le courant est directement liée à la sécurité. Cependant, comme l'a montré le cas du Boeing 787, un BMS est impuissant à stopper une réaction en chaîne d'emballement thermique une fois qu'elle a commencé à l'intérieur d'une cellule. Le contrôle qualité au niveau des cellules et le choix d'une chimie moins sujette à l'emballement thermique (LiFePO4, par exemple) doivent compléter le circuit de protection, et non l'inverse.

• Plage de températures de fonctionnement : Une caractéristique comme la plage de -40 °C à 60 °C de la batterie Molicel P42A est cruciale pour sa disponibilité réelle, car les drones et robots d'extérieur doivent résister aux pertes de capacité et de puissance dues aux basses températures. La fonction d'auto-échauffement des batteries DJI apporte une solution à ce problème.

• Capacité de charge rapide : Les batteries de nouvelle génération, de l'ASB de Samsung SDI à l'objectif affiché par Toyota et Idemitsu Kosan de charger de 10 % à 80 % de leur état de charge en moins de 10 minutes, font de la réduction du temps de charge un argument de différenciation majeur. Pour les opérations commerciales de drones et de robots de livraison visant une utilisation maximale, le temps d'arrêt pour la charge devient un indicateur de performance essentiel.