La capacité d'une batterie multicellulaire mal équilibrée se mesure à l'aune de sa cellule la plus faible. Cette méthode de détermination de la capacité de la batterie est inefficace puisque chaque cellule vieillit différemment. La sélection la plus rigoureuse ne permet pas de garantir que toutes les cellules ont la même capacité. Il existe différentes solutions pour remédier au problème.
Comme avec d'autres types de batteries, les modifications chimiques induites par les phases de charge et de décharge usent les batteries lithium-ion. Dans une batterie lithium-ion, l'anode est composée d'une feuille de cuivre enduite de carbone ou d'un composé graphite. La cathode est constituée d'un composé lithium. Un sel de lithium dissous sert d'électrolyte entre les électrodes. Suivant que l'électrolyte est liquide ou solide, on parle de batterie lithium-ion ou de batterie lithium-polymère.
Le matériau des cathodes des cellules est très variable. Il peut être à base de cobalt, de manganèse, de nickel-cobalt, de nickel-cobalt-manganèse (NKM), de phosphate de fer ou de titaniumate. Selon le matériau utilisé pour la cathode, la densité d'énergie ou de puissance, la tension nominale et les cycles de charge possibles seront différents.
Fluidité du chargement
La méthode de chargement communément appelée IU, qui est utilisée pour les cellules de ce type, fonctionne à courant constant (CC) et à tension constante (CV). Dans cette procédure, les batteries sont d'abord chargées avec un courant constant. Cela limite le courant de charge, l'empêchant d'être trop élevé. Le chargement à courant constant se poursuit jusqu'à ce que la tension de charge finale soit atteinte. Ensuite, le chargement se poursuit à tension constante, de sorte que la tension de charge finale ne puisse pas être dépassée. Le courant de charge décroît avec l'augmentation de la charge.
Comme la durée de vie, le temps de chargement dépend également d'un certain nombre de facteurs, en particulier la température. Des temps de chargement et de déchargement courts ont un effet néfaste sur le matériau de l'électrode en raccourcissant la durée de vie et le nombre de cycles. La fluidité du chargement et du déchargement augmente considérablement la durée de vie d'une cellule lithium-ion !
Placage lithium
Le chargement de cellules lithium-ion à courant de charge élevé ou à basse température peut produire un effet indésirable de placage du lithium. Les ions lithium se déposent de préférence sur la surface de l'anode plutôt que de s'intercaler entre les couches de graphite. Cela engendre d'importantes pertes de performances, de durabilité et de sécurité. Dans les cas extrêmes, le placage lithium peut même provoquer un court-circuit, voire s'enflammer, puisque le lithium métallique est facilement inflammable.
Suivant la qualité et la conception de la batterie, 500 à 1 000 cycles de chargement, voire plus, ne sont pas rares. Une batterie est jugée usée dès qu'elle tombe au-dessous de 80 % de sa capacité d'origine.
Le problème
Les clusters, ou blocs-batterie, se composent généralement de plusieurs cellules individuelles ou de blocs de cellules connectées en série afin d'augmenter la tension nominale. Le vieillissement entraîne des fluctuations de la capacité, de la résistance interne et d'autres paramètres de ces cellules. C'est la cellule la plus faible qui détermine le niveau de chargement et de déchargement possible.
Concrètement, dans le cas de batteries multicellulaires connectées en série, cela se traduit par des chargements et des déchargements différents des cellules. Des décharges complètes ou des surcharges critiques se produisent sur le réseau ou en cas de surcharge de cellules individuelles et de dépassement de la tension de charge finale. Suivant le type de batterie, des dommages irréversibles peuvent affecter certaines cellules. Résultat : le bloc-batterie tout entier perd en capacité.
Systèmes de gestion de batterie (BMS)
Les BMS sont responsables du contrôle et de la surveillance du processus de chargement et de déchargement des blocs-batterie hautes performances dans des applications électroniques d'énergie autonome (E-Power), telles que les véhicules électriques et hybrides, les robots ou autres. Leur tâche principale consiste à veiller à ce que chaque cellule individuelle ne sorte pas d'une plage d'états de charge (SoC) définie pour l'application, à la fois pendant le chargement et le déchargement. La valeur SoC est la capacité restante de la batterie par rapport à sa valeur nominale. La valeur est indiquée sous forme de pourcentage de la valeur de chargement complet. Par exemple, 30 % signifie que la batterie possède encore une charge résiduelle de 30 % par rapport à sa charge complète. Suivant l'application, les valeurs des limites supérieure et inférieure de l'état de charge sont 20 % - 100 % (puissance max.) ou 100 % (puissance max.). 30 % - 70 % (durée de vie max.).
Le BMS surveille des caractéristiques comme la tension de la batterie, la température et la capacité de la cellule, l'état de charge, la consommation de courant, le temps de fonctionnement restant, le cycle de charge et bien d'autres. Ces unités de contrôle sont essentielles car plusieurs cellules doivent être mises en cluster pour produire une capacité totale élevée. Les équilibreurs jouent un rôle de plus en plus important dans les systèmes de gestion de batterie.
Équilibrage de batterie : passif
L'équilibrage passif est une méthode largement utilisée et relativement simple d'un point de vue technique. Concrètement, il n'intervient qu'à la fin du chargement, lorsque les cellules d'un bloc-batterie sont presque complètement chargées. Pour les cellules ayant déjà atteint la tension de charge finale, une résistance est connectée en parallèle par l'équilibreur, limitant ainsi la tension à la tension de charge finale. Cette cellule est alors juste légèrement chargée ou même déchargée, tandis que les cellules de la connexion en série, qui n'ont pas encore atteint la tension de charge finale, continuent d'être alimentées par le courant de charge total. La puissance de la résistance parallèle doit être adaptée au courant de charge, puisque l'énergie excédentaire se manifeste sous forme de chaleur dans la résistance. L'avantage de cette méthode est qu'elle est peu onéreuse et techniquement simple à mettre en œuvre. Revers de la médaille : le processus de chargement prend beaucoup de temps avant que la cellule la plus faible atteigne la valeur SoC voulue. De plus, une grande quantité d'énergie est dissipée en chaleur indésirable. Cette perte sous forme de chaleur nuit également à la durée de vie des cellules de batterie et constitue un important risque d'incendie.
Équilibrage de batterie : actif
Les équilibreurs actifs sont beaucoup plus complexes, mais plus efficaces. Ils permettent de transférer la charge entre les cellules : l'énergie des cellules les plus chargées est transmise aux cellules les moins chargées. Le principe du contrôle de charge utilise plusieurs régulateurs de commutation qui sont spécialement optimisés pour l'application, opèrent au niveau de chaque cellule et transfèrent activement l'énergie. Ce processus peut avoir lieu au cours même du chargement. Toutefois, comme l'équilibrage passif, il ne commence généralement que vers la fin de la charge. Dans un système d'équilibrage bidirectionnel, cet échange de charge se produit à la fois pendant le chargement et le déchargement. Les équilibreurs bidirectionnels sont donc encore plus efficaces.
Un des principaux avantages de l'équilibrage actif est d'être nettement plus efficace puisque le surplus d'énergie n'est que très partiellement converti en chaleur. Ce mode est actuellement utilisé pour les applications à haut débit (e-power) telles que la mobilité électrique (EV = véhicule électrique, BEV = Véhicule électrique à batterie, HEV = Véhicule électrique hybride et PHEV = véhicule électrique hybride rechargeable).
Naturellement, plus le système de contrôle doit effectuer d'opérations de commutation, plus les coûts initiaux sont élevés. En revanche, ce système de contrôle offre de nets avantages en ce qui concerne la gestion de la batterie. Grâce à un contrôle de charge superordonné doté d'un logiciel intelligent et adaptatif, cette redistribution de charge des cellules fortes vers les cellules faibles (même entre circuits de gammes différentes) peut prolonger sensiblement la durée de vie d'un bloc-batterie hautes performances.
Principe d'un circuit d'équilibrage actif à bobines, deux étapes. Source : Wikipédia
Protection
Dans les applications E-Power telles que les véhicules électriques, les blocs-batterie constituent généralement le poste de coût le plus élevé. Le client exige une capacité de performance maximale, le processus de chargement le plus rapide possible et une longue durée de vie en plus d'une fiabilité absolue. Des exigences qui ne sont pas faciles à concilier.
Les batteries au lithium ont une densité de puissance nettement plus élevée que les batteries plomb-acide. Toutefois, elles sont très sensibles aux surtensions et aux sous-tensions. Cela exige surveillance et protection pour empêcher une défaillance prématurée, une surchauffe ou même la mise en court-circuit de certaines cellules. Ces batteries de secours doivent fonctionner sans défaillance pendant de nombreuses années. Elles doivent supporter le froid de l'hiver et la chaleur de l'été, sans parler des chocs et des vibrations.
Elles doivent autoriser le passage de courants de charge et de décharge maximaux avec le moins de pertes possibles. La résistance cyclique (mise sous et hors tension, accélération) est également indispensable.
Méthode de chargement IU à courant constant (CC) et tension constante (CV)
Fusibles personnalisés
Toutefois, les plus grands dangers menaçant les blocs-batterie sont la surchauffe, les courts-circuits et les pics de surintensité. Selon le modèle et l'usage d'un bloc-batterie hautes performances, l'accent doit être mis sur la protection contre les surintensités et/ou la surchauffe. Or, dans la plupart des cas, plusieurs problèmes surviennent simultanément. En pratique, il faut donc trouver des solutions de protection personnalisées. Il peut s'agir de fusibles anti-impulsion contre les surintensités et la surchauffe (déjà mis en place). Cela passe par une technologie à base de puce qui veille à garantir la résistance mécanique nécessaire.
Densité de puissance maximale avec sécurité et longévité maximales : cette approche s'applique non seulement aux cellules elles-mêmes, mais à l'unité d'énergie toute entière.
Économie
Bien sûr, il est toujours possible d'utiliser le dernier cri en matière de technologie de batterie et de toujours produire la plus forte capacité possible. Toutefois, cela se paie cher, sans compter que l'on perd le bénéfice d'un recul suffisant sur la technologie. C'est pourquoi le secteur tend à s'appuyer sur des technologies bien établies qui ont prouvé leur efficacité plusieurs millions de fois dans des applications standard (par exemple, les ordinateurs portables). Dans un deuxième temps, les processus de fabrication sont optimisés, les limites des flux d'entrée et de sortie sont déterminées et des mécanismes d'évolutivité sont développés. Les processus de chargement et de déchargement intelligents seront d'une extrême importance à l'avenir. L'équilibrage optimisé combine performances maximales et durée de vie maximale.
Partenaire expérimenté
SCHURTER offre à présent une vaste gamme de fusibles conformes AEC-Q200 pour différentes applications (gestion de batterie, climatisation, électronique pour moteurs diesel/essence, etc.). Des millions de fusibles de protection contre les surintensités et la surchauffe, ou une combinaison des deux, sont actuellement utilisés dans le monde. Sa collaboration étroite avec des constructeurs automobiles internationaux et avec le secteur industriel lui-même fait de SCHURTER un partenaire compétent pour toute question relative à la protection des composants électroniques dans l'ingénierie automobile.
PRODUITS SCHURTER DE PROTECTION CONTRE LES SURINTENSITÉS