IBIS : la batterie réinventée (1/2)

Né d’un besoin partagé entre deux industriels – le constructeur automobile Stellantis, et Saft, filiale de TotalEnergies spécialisée dans les solutions de batteries pour l’industrie –, le projet IBIS associe, outre ces deux acteurs, les sociétés SHERPA Engineering et E2-CAD, ainsi qu’un laboratoire privé, l’Institut Lafayette. Le consortium intègre également trois laboratoires académiques sous co-tutelle du CNRS : le GeePs^[1] et le SATIE^[2], spécialisés dans la conception, l’expérimentation et la validation des systèmes de conversion d’énergie électrique, ainsi que le LEPMI^[3], expert en caractérisation et en élaboration de cellules de batteries.

Déjà validée à l’échelle de démonstrateurs pour des applications stationnaires, la technologie a également, plus récemment, démontré sa pertinence dans le domaine automobile au travers d’un véhicule prototype, testé sur banc, sur piste puis sur route ouverte.

Pour cette première partie de l’entretien qu’ils nous ont accordé, Francis Roy, responsable du projet IBIS chez Stellantis et Claude Marchand, Professeur émérite à l’Université Paris-Saclay et ex-directeur du GeePs, reviennent sur les origines de ce projet, et mettent en lumière les multiples atouts de la technologie qui en est issue.

Techniques de l’Ingénieur : Quelles sont, en quelques mots, vos fonctions respectives ?

Francis Roy : Je travaille au sein de la direction Recherche du groupe Stellantis. J’y assure la coordination des activités de recherche en lien avec l’Université Paris‑Saclay dans le domaine du génie électrique. C’est dans cet environnement qu’est né le projet IBIS. C’est aussi là que je suis moi-même physiquement basé, au laboratoire GeePs, situé sur le campus de CentraleSupélec, ainsi qu’au laboratoire SATIE, localisé à l’ENS Paris‑Saclay.

Claude Marchand : Je suis professeur émérite à l’Université Paris‑Saclay, et ancien directeur du laboratoire GeePs, fonction que j’ai quittée fin 2024. Je fais également partie des initiateurs de l’OpenLab Stellantis consacré à l’électromobilité, au sein duquel le projet IBIS a vu le jour il y a une dizaine d’années.

Quelles sont justement les origines de ce consortium à l’origine du projet IBIS ? Qu’est-ce qui vous a collectivement poussés à vous lancer dans cette aventure académico-industrielle ?

FR : L’idée du projet est née au sein des laboratoires impliqués. L’une des premières initiatives à son origine a été lancée au laboratoire SATIE au début des années 2010, avec pour objectif le développement de convertisseurs distribués, destinés à des applications dans le domaine des réseaux électriques.

En 2015, dans le cadre de la création de l’OpenLab que je mettais alors en place, l’idée a émergé de transposer ce concept au secteur du véhicule électrique. Deux thèses ont ainsi été lancées simultanément, financées par des bourses de l’ENS : l’une au GeePs, l’autre au SATIE. Elles visaient à développer deux fonctionnalités clés que nous souhaitions exploiter dans le cadre du projet IBIS.

Le projet a véritablement pris forme à partir de fin 2015. Il nous a ensuite fallu près de trois ans pour construire un dossier complet de demande de financement. Nous avons en effet rapidement constaté que les seules capacités internes des laboratoires et de Stellantis ne suffiraient pas à porter un tel projet.

Nous avons donc progressivement structuré le consortium qui porte aujourd’hui IBIS, en intégrant plusieurs partenaires industriels : Saft, apportant son expertise en conception de batteries ; E2-CAD, notamment spécialiste des systèmes de gestion de batteries (BMS^[4]), impliqué jusqu’à fin 2024 ; ainsi que Sherpa Engineering, expert en contrôle-commande.

Parallèlement, le consortium s’est enrichi de partenaires académiques. Le LEPMI, dont les compétences en électrochimie sont reconnues, a permis d’explorer et de déposer des brevets sur deux axes majeurs : la recharge rapide et l’analyse des mécanismes de vieillissement des batteries. Le laboratoire L2S a rejoint le projet début 2025 afin d’adresser les problématiques liées au contrôle de systèmes complexes. Enfin, l’Institut Lafayette a également été intégré au consortium. Son rôle est stratégique pour l’avenir du projet, notamment sur les technologies de composants de commutation.

À ce stade, nous nous appuyons sur des technologies éprouvées et largement maîtrisées, telles que les MOSFETs^[5] en silicium. Toutefois, nous sommes pleinement conscients du potentiel d’amélioration offert par les semi-conducteurs à large bande interdite (wide bandgap), en particulier les dispositifs à base de nitrure de gallium (GaN). Dans cette perspective, l’intégration de l’Institut Lafayette, reconnu pour son expertise dans la synthèse de matériaux GaN, constitue un choix structurant en vue des évolutions futures de la technologie.

CM : Au cours des trois années ayant précédé la genèse du projet, Francis a réalisé une thèse au sein du laboratoire GeePs, dans le cadre d’un doctorat exécutif de Sorbonne Université, tout en occupant un poste de chef de projet chez Stellantis dans le domaine des chaînes de traction électriques.

Cette double appartenance illustre, selon moi, tout l’intérêt du rapprochement entre les mondes académique et industriel. Elle a en effet non seulement contribué à faire émerger l’idée à l’origine du projet IBIS, mais a également facilité la structuration du consortium qui le porte aujourd’hui.

Quels sont, concrètement, les objectifs de ce projet ?

CM : L’objectif fondamental du projet repose sur une simplification de la chaîne de conversion d’énergie. À l’heure actuelle, celle-ci demeure en effet relativement complexe : l’énergie issue du réseau électrique est disponible sous forme de courant alternatif, tandis que la batterie fonctionne en courant continu.

L’échange d’énergie entre ces deux sources nécessite donc la mise en œuvre de convertisseurs dédiés – chargeur embarqué et onduleur – qui constituent des éléments à la fois volumineux et générateurs de pertes énergétiques, principalement sous forme de dissipation thermique.

L’approche développée dans le cadre du projet IBIS consiste précisément à supprimer ces organes en tant qu’entités distinctes, tout en conservant leurs fonctions. Celles-ci sont en effet distribuées au sein même du pack batterie, à l’échelle des modules^[6] qui le composent. Les composants de puissance embarqués assurent ainsi directement la conversion bidirectionnelle d’énergie, en remplissant à la fois les fonctions de chargeur et d’onduleur.

Comment cela est-il possible ?

FR : Le pack batterie est constitué de trois ligne de modules en série. Chaque module permet d’imposer trois niveaux de tension en sortie : +V₀ (état direct), −V₀ (état inversé) ou 0 (état by-pass).

Sur chaque ligne, nous mettons en œuvre une stratégie de modulation séquentielle qui, à partir de la contribution élémentaire de chaque module, permet de générer une forme d’onde discrétisée dont l’enveloppe est sinusoïdale.

En pilotant les trois branches de modules avec un déphasage de 120°, nous obtenons un système triphasé équilibré de tensions quasi-sinusoïdales avec un faible taux de distorsion harmonique (THD).

Quels sont les avantages de cette approche ?

CM : Comme évoqué précédemment, une des spécificités majeures des tensions alternatives générées par ce système réside dans leur très haute qualité spectrale en mode traction. Le contenu harmonique y est en effet extrêmement réduit – nettement inférieur à celui observé dans des architectures d’onduleurs MLI^[7] conventionnels. Il en résulte une diminution significative des pertes dans les machines électriques, par effet Joule et magnétiques. Cela impacte favorablement le bilan énergétique global du véhicule.

Par ailleurs, l’architecture mise en œuvre dans le cadre du projet IBIS repose sur l’utilisation de MOSFETs basse tension présentant une résistance à l’état passant (RDSon) très faible. Ce choix technologique permet de minimiser les pertes de conduction à l’échelle de chaque cellule, tout en minimisant les fréquences de commutation et les pertes de commutation associées.

L’association de ces deux caractéristiques – qualité élevée de la forme d’onde et faibles pertes intrinsèques des composants – se traduit par des rendements de conversion particulièrement élevés. À titre d’illustration, sur un cycle d’homologation WLTC^[8] le rendement de conversion électronique dépasse 99 %. Il en est de même lors des recharges AC, ce qui positionne cette architecture parmi les solutions les plus performantes.

FR : Ce gain en efficacité lors des phases de recharge est estimé à environ 10 %, ce qui signifie qu’à niveau de charge équivalent – et donc pour une autonomie inchangée –, l’énergie prélevée sur le réseau est réduite d’autant.

Un tel écart, qui peut sembler modéré à l’échelle d’un seul système, devient en réalité particulièrement significatif lorsqu’il est extrapolé à grande échelle. Il se traduit par une diminution des flux d’énergie à acheminer, ce qui allège les contraintes de dimensionnement des réseaux de transport et de distribution, tout en limitant la sollicitation des moyens de production, qu’il s’agisse de centrales nucléaires, d’énergies renouvelables…

Au-delà des phases de recharge, les bénéfices de cette architecture s’étendent également à l’usage en traction. Notre technologie permet ainsi d’envisager une réduction de consommation pouvant atteindre environ 10 % sur l’ensemble d’un cycle d’homologation WLTC. Sur les phases à basse vitesse – représentatives d’un usage urbain –, ce gain est encore plus marqué, avec des économies pouvant atteindre 18 %, en lien avec une efficacité énergétique maintenue à puissance partielle contrairement aux systèmes conventionnels.

En outre, l’un des autres atouts majeurs de cette technologie réside dans sa totale compatibilité avec les infrastructures de recharge existantes et futures. Elle ouvre par exemple la voie à une recharge rapide directement en AC, avec des niveaux de puissance similaires à la puissance de dimensionnement pour la traction du véhicule, de l’ordre de 200 kW.

Cette capacité constitue une rupture par rapport aux architectures actuelles, où la recharge rapide repose majoritairement sur des bornes en courant continu (DC), nécessitant un étage de conversion supplémentaire au niveau de la borne, dont le rendement reste limité (typiquement de l’ordre de 90 %). En s’affranchissant de cette conversion externe, il devient possible de simplifier significativement l’infrastructure de recharge, d’en réduire les coûts et d’en faciliter le déploiement à grande échelle.

La batterie IBIS conserve aussi une compatibilité complète avec les standards de recharge en courant continu, couvrant des niveaux de tension de 400 V, 800 V et jusqu’à 1 200 V. Ces derniers, pas encore déployés à ce jour, devraient toutefois apparaître à moyen terme, notamment pour les applications à forte puissance telles que le transport lourd.

Un autre avantage structurant concerne les opérations de maintenance et de démontage des packs batterie. Dans les architectures actuelles, l’ouverture d’un pack donne accès à des zones sous tension élevée (typiquement 400 V ou 800 V), ce qui impose des procédures strictes, le recours à des équipements de protection spécifiques et des habilitations électriques adaptées pour toute intervention.

Dans le cas de la technologie IBIS, l’architecture modulaire permet de garantir que les zones accessibles après ouverture du pack sont à potentiel nul. Cette caractéristique supprime le risque électrique direct pour les opérateurs et simplifie considérablement les conditions d’intervention. En conséquence, les opérations de maintenance et de réparation pourront être largement démocratisées, et réalisées dans des environnements moins spécialisés, tels que des garages conventionnels.

Cette architecture introduit également une flexibilité inédite dans le remplacement des modules. Il devient possible de substituer un module par un autre présentant une capacité différente, un état de charge distinct, voire une chimie différente. Cette interopérabilité est rendue possible par les capacités d’équilibrage dynamique intégrées, permettant d’harmoniser en temps réel les contributions énergétiques des différents modules. Pour les industriels, cela constitue un avantage majeur, en supprimant la contrainte que représente le maintien sur le long terme de la production d’une chimie donnée. Il devient envisageable d’intégrer, au sein d’un même pack, des modules issus de générations technologiques différentes, en remplaçant par exemple progressivement des modules lithium-ion par des modules d’une chimie plus récente, tel qu’à l’avenir les électrolytes solides.

Par ailleurs, la gestion individualisée des modules permet d’optimiser l’exploitation de la batterie en fonction de leurs états de santé (State of Health, SoH). Contrairement aux architectures conventionnelles, où les performances globales sont limitées par le module le plus dégradé, la technologie IBIS permet de prolonger la performance du système via les modules les plus performants, tout en isolant ou remplaçant sélectivement les éléments les plus faibles. Cela contribue à allonger la durée de vie utile du pack et facilite sa revalorisation en seconde vie, notamment pour des applications de stockage stationnaire.

En complément, l’architecture offre une tolérance accrue aux défauts : en cas de défaillance d’un module, celui-ci peut être automatiquement contourné (fonction de by-pass), assurant ainsi la continuité de fonctionnement du système sans interruption perceptible pour l’utilisateur.

Les mécanismes de sécurité sont aussi renforcés, grâce à une surveillance fine distribuée. En cas de détection d’une anomalie thermique locale – potentiellement annonciatrice d’un emballement thermique –, le système est capable d’isoler électriquement les modules concernés de manière préventive. Cette capacité limite la propagation des défauts, en particulier les courts-circuits internes, et réduit fortement le risque de propagation thermique à l’ensemble du pack. Il devient même possible d’intervenir en amont, dès l’apparition de points chauds, avant que le phénomène d’emballement ne soit initié.

Un autre atout majeur de la technologie IBIS réside dans sa facilité d’intégration au sein des architectures véhicules existantes. Sa mise en œuvre ne nécessite en effet pas de modification géométrique de la plate-forme, ce qui constitue un avantage déterminant en termes d’industrialisation et de déploiement.

Par ailleurs, l’intégration d’IBIS permet de dégager des gains significatifs en matière de compacité. Sur le véhicule démonstrateur, la suppression du chargeur embarqué et de l’onduleur s’est traduite par un gain volumique de l’ordre de 17 litres. Cette réduction ouvre des perspectives intéressantes en matière d’optimisation du design véhicule, notamment pour améliorer les performances aérodynamiques (SCx). Une telle optimisation pourra également contribuer directement à l’augmentation de l’autonomie, en particulier sur les phases de conduite autoroutière où les pertes aérodynamiques sont prépondérantes.

Des gains notables sont également observés en masse. La suppression du périmètre chargeur-onduleur permet une réduction d’environ 10 kg. À cela s’ajoute l’impact indirect lié à l’amélioration du rendement global : la diminution d’environ 10 % de la consommation énergétique autorise, à autonomie équivalente, l’utilisation d’une batterie de capacité plus faible, représentant un allègement supplémentaire estimé à près de 30 kg.

Au total, la technologie IBIS permet ainsi d’envisager une réduction de masse de l’ordre de 40 kg à l’échelle du véhicule. Cette diminution a un effet vertueux sur la consommation énergétique globale, en réduisant à la fois les pertes liées à la résistance au roulement et, de manière indirecte, les besoins aérodynamiques. L’ensemble de ces leviers contribue à améliorer significativement l’efficience énergétique du véhicule.

La technologie IBIS n’est-elle pas également une réponse aux problèmes de disponibilité et d’augmentation des coûts des composants électroniques de puissance… ?

CM : On observe une tendance de fond chez les constructeurs à augmenter les niveaux de tension des batteries embarquées, afin de réduire les courants et, par conséquent, les pertes en ligne et les contraintes sur les câblages. Cette évolution se heurte néanmoins à une limite technologique : la disponibilité et le coût de composants électroniques de puissance capables de supporter durablement ces tensions élevées.

Dans ce contexte, l’architecture IBIS permet effectivement de lever cette contrainte : les fonctions de conversion étant distribuées à l’échelle des modules, les composants de puissance sont soumis uniquement à des tensions faibles, indépendamment du niveau de tension global du pack. Cette approche découple ainsi la tension système des contraintes propres aux semi-conducteurs, offrant une voie d’augmentation du niveau de tension sans pénalité technologique majeure.

Ce principe présente également un intérêt marqué pour les applications de stockage stationnaire d’énergie, où les niveaux de tension et de puissance peuvent être significativement plus élevés. La modularité et la scalabilité intrinsèques de l’architecture IBIS facilitent en effet le passage à l’échelle de ces systèmes, tout en conservant des briques technologiques optimisées et standardisées.

FR : Au-delà de son intérêt pour les systèmes embarqués, l’efficacité énergétique représente en effet aussi un enjeu majeur dans les applications stationnaires.

Saft, par exemple, développe des systèmes de stockage d’énergie par batteries (BESS – Battery Energy Storage Systems), généralement raccordés au réseau via des chaînes de conversion de puissance (PCS-Power Converter System) analogues à celles rencontrées dans l’automobile.

Dans ce contexte, la technologie IBIS ouvre la voie à une simplification significative de ces architectures. Grâce à l’intégration distribuée des fonctions de conversion au sein même des modules batterie, il devient envisageable de connecter directement les batteries au réseau alternatif, sans recourir à des convertisseurs de puissance (PCS).

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[1] Génie électrique et électronique de Paris (GeePs, CNRS/CentraleSupélec/Université Paris-Saclay/Sorbonne Université)

[2] Systèmes et Applications des Technologies de l’information et de l’Énergie (SATIE, CNRS/ENS Paris-Saclay/ENS Rennes/Université Paris-Saclay/Cergy Paris Université/Université Gustave Eiffel/CNAM)

[3] Laboratoire d’Électrochimie et Physico-chimie des Matériaux et des Interfaces (LEPMI, CNRS/Grenoble INP/Université Grenoble Alpes/Université Savoie Mont-Blanc)

[4] Battery Management System

[5] Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, transistor à effet de champ à grille métal-oxyde.

[6] Ensemble de plusieurs cellules, qui sont elles-mêmes les briques élémentaires des batteries électriques.

[7] Modulation de Largeur d’Impulsion.

[8] Worldwide Harmonized Light-Duty Vehicles Test Cycle.