Technologie | Comprendre les dangers des incohérences des batteries au lithium et comment y remédier

Des irrégularités dans les performances des cellules de batterie apparaissent au cours du processus de production et s'aggravent avec l'usage. Au sein d'un même pack de batteries, les cellules les plus faibles s'affaiblissent et leur dégradation s'accélère. La dispersion des paramètres entre les cellules individuelles augmente avec le vieillissement.

Les batteries lithium-ion se sont imposées comme la principale source d'énergie pour les véhicules électriques. Elles offrent une longue durée de vie, une densité énergétique élevée et un potentiel d'amélioration considérable. La sécurité peut être améliorée et la densité énergétique peut continuer à augmenter. Dans un avenir proche (vers 2020, selon les rumeurs), elles rivaliseront avec l'autonomie et la rentabilité des véhicules à essence, marquant ainsi le début de la maturité des véhicules électriques. Cependant, les batteries lithium-ion présentent également des défis.

Pourquoi la plupart des batteries au lithium sont-elles petites ?

Les batteries au lithium que nous voyons – cylindriques, en sachet et prismatiques – sont généralement élégantes, contrairement aux batteries plomb-acide traditionnelles et encombrantes. Pourquoi ?

En raison de leur densité énergétique élevée, les batteries au lithium ne sont souvent pas conçues avec de grandes capacités. Batteries au plomb-acide ont une densité énergétique d'environ 40 Wh/kg, tandis que piles au lithium dépasser 150 Wh/kg. À mesure que la concentration énergétique augmente, les exigences de sécurité augmentent.

Premièrement, une seule batterie au lithium présentant une capacité énergétique excessive peut, en cas d'accident, déclencher un emballement thermique. Cette réaction rapide au sein de la batterie peut dissiper rapidement l'énergie excédentaire, créant une situation dangereuse. En particulier lorsque les technologies de sécurité et les capacités de contrôle ne sont pas encore pleinement développées, la capacité de chaque batterie doit être limitée.

Deuxièmement, l'énergie emprisonnée dans le boîtier de la batterie au lithium est inaccessible aux pompiers et aux extincteurs en cas d'accident. Les pompiers ne peuvent donc pas atteindre les lieux et éteindre l'incendie. Ils ne peuvent qu'isoler les lieux et laisser la batterie réagir d'elle-même jusqu'à épuisement de l'énergie.

Bien sûr, pour des raisons de sécurité, les batteries au lithium actuelles sont dotées de plusieurs dispositifs de sécurité intégrés. Prenons l'exemple des batteries cylindriques.

Soupapes de sécurité : Lorsque la réaction interne de la batterie dépasse la plage normale, la température augmente et des gaz de réaction secondaires sont générés. Lorsque la pression atteint la valeur nominale, la soupape de sécurité s'ouvre automatiquement pour libérer la pression. Dès que la soupape de sécurité s'ouvre, la batterie tombe en panne.

Thermistances : Certaines cellules de batterie sont équipées de thermistances. En cas de surintensité, la résistance augmente fortement après avoir atteint une certaine température, réduisant le courant dans le circuit et empêchant toute nouvelle élévation de température. Fusible : La cellule de batterie est équipée d'un fusible avec fonction de fusion en cas de surintensité. En cas de risque de surintensité, le circuit est déconnecté pour éviter tout accident grave.

Problèmes de cohérence des batteries au lithium

Les batteries au lithium ne peuvent être fabriquées en grandes unités ; elles doivent donc être organisées en de nombreuses petites cellules. Travailler ensemble et à l'unisson peut également propulser les véhicules électriques vers de grands sommets. Cela représente un défi : la cohérence.

Dans notre quotidien, si l'on connecte les bornes positive et négative de deux piles sèches, une lampe de poche s'allumera, et peu importe si elles sont incompatibles. Cependant, l'application à grande échelle des piles au lithium présente une situation bien plus complexe.

Les irrégularités des paramètres des batteries au lithium concernent principalement la capacité, la résistance interne et la tension à vide. L'utilisation de cellules incohérentes en série peut entraîner les problèmes suivants :

1) Perte de capacité. Les cellules forment un batterie , et leur capacité suit le « principe du tonneau » : la capacité de la cellule la plus faible détermine la capacité de l'ensemble du pack.

Pour éviter la surcharge et la décharge excessive, la logique du système de gestion de la batterie est configurée comme suit : pendant la décharge, lorsque la tension de cellule la plus basse atteint la tension de coupure de décharge, l'ensemble du pack arrête de se décharger ; pendant la charge, lorsque la tension de cellule la plus élevée atteint la tension de coupure de charge, la charge s'arrête.

Prenons l'exemple de deux batteries connectées en série. L'une a une capacité de 1 C, tandis que l'autre n'a qu'une capacité de 0,9 C. Dans une connexion en série, le même courant traverse les deux batteries.

Lors de la charge, la plus petite batterie sera inévitablement chargée en premier, atteignant la limite de charge, et le système s'arrêtera. Lors de la décharge, la plus petite batterie consommera inévitablement toute son énergie disponible en premier, et le système s'arrêtera immédiatement.

De cette façon, la plus petite cellule est toujours entièrement chargée et déchargée, tandis que la plus grande utilise toujours une partie de sa capacité. Une partie de la capacité de la batterie reste donc toujours inutilisée.

2) Perte de durée de vie : De même, la durée de vie d'une batterie est déterminée par la cellule ayant la durée de vie la plus courte. Cette cellule est généralement la plus petite. La plus petite cellule, constamment chargée et déchargée, atteindra probablement la fin de sa durée de vie en premier, la sollicitant trop. Lorsque cette cellule atteint la fin de sa durée de vie, la batterie entière atteindra également la fin de sa durée de vie.

3) Augmentation de la résistance interne : à courant constant et à résistances internes différentes, la cellule présentant la plus grande résistance interne génère davantage de chaleur. Une température excessive de la batterie accélère sa dégradation, augmentant encore la résistance interne. La résistance interne et l'augmentation de la température forment une boucle de rétroaction négative, accélérant la dégradation des cellules à haute résistance.

Les trois paramètres ci-dessus ne sont pas totalement indépendants. Les cellules plus âgées présentent une résistance interne plus élevée et une plus grande perte de capacité. Je les explique séparément simplement pour clarifier leurs impacts respectifs.

Comment remédier aux incohérences

Des variations de performance des cellules de batterie apparaissent lors du processus de production et s'accentuent à l'usage. Au sein d'un même pack de batteries, les cellules les plus faibles restent plus faibles et s'affaiblissent plus rapidement. La dispersion des paramètres entre les cellules individuelles s'accentue avec le vieillissement.

Actuellement, les ingénieurs abordent les incohérences des cellules individuelles selon trois perspectives principales : le tri des cellules individuelles, la gestion thermique après le regroupement et les fonctions d'équilibrage fournies par le système de gestion de batterie lorsque des incohérences mineures surviennent.

1) Tri

En théorie, les cellules de batterie provenant de lots différents ne devraient pas être utilisées ensemble. Même les cellules d'un même lot doivent être sélectionnées afin de pouvoir intégrer des cellules présentant des paramètres relativement similaires dans un même pack batterie.

Le but du tri est de sélectionner des cellules présentant des paramètres similaires. Les méthodes de tri sont étudiées depuis de nombreuses années et se divisent principalement en deux types : le tri statique et le tri dynamique.

Le tri statique consiste à trier les cellules en fonction de paramètres caractéristiques tels que la tension à vide, la résistance interne et la capacité. Des paramètres cibles sont sélectionnés, des algorithmes statistiques sont introduits et des critères de tri sont définis pour finalement diviser les cellules d'un même lot en plusieurs groupes. Le tri dynamique repose sur les caractéristiques des cellules de batterie pendant les processus de charge et de décharge. Certaines méthodes utilisent la charge à courant et tension constants, d'autres la charge et la décharge par impulsions, et d'autres encore comparent la relation entre leurs propres courbes de charge et de décharge.

Le tri statique et dynamique combiné utilise un filtrage statique pour le regroupement initial, suivi d'un filtrage dynamique. Cette approche produit davantage de groupes et améliore la précision du filtrage, mais entraîne également une augmentation des coûts.

Cela démontre l'importance de l'échelle dans la production de batteries au lithium de puissance. Les expéditions à grande échelle permettent aux fabricants d'effectuer un tri plus précis, ce qui permet d'obtenir des batteries aux performances plus constantes. Si les volumes de production sont trop faibles et les groupes trop nombreux, même un seul lot ne peut produire une seule batterie, rendant ainsi inefficaces les meilleures méthodes.

2) Gestion thermique

Pour résoudre le problème de génération de chaleur irrégulière dans les cellules à résistance interne variable, un système de gestion thermique permet de réguler les écarts de température sur l'ensemble de la batterie, en les maintenant dans une plage étroite. Les cellules qui génèrent plus de chaleur connaîtront néanmoins une augmentation de température plus importante, mais sans différence significative par rapport aux autres cellules, ce qui entraînera une dégradation moins perceptible. 3) Équilibrage

L'incohérence entre les différentes cellules peut entraîner des tensions aux bornes de certaines cellules supérieures à celles des autres, atteignant d'abord le seuil de contrôle et réduisant la capacité globale du système. Pour remédier à ce problème, le système de gestion de batterie (BMS) intègre une fonction d'équilibrage.

Si une cellule atteint la tension de coupure de charge en premier, alors que les tensions des cellules restantes accusent un retard important, le BMS active la fonction d'équilibrage de charge, soit en insérant une résistance pour décharger partiellement la cellule haute tension, soit en transférant l'énergie vers la cellule basse tension. Cela supprime la coupure de charge, relance le processus de charge et permet à la batterie de continuer à se charger.

L'incohérence des cellules reste un domaine de recherche clé au sein de l'industrie. Même les cellules à densité énergétique la plus élevée peuvent être considérablement affectées par cette incohérence, réduisant ainsi considérablement les performances de la batterie.