Les variations de résistance ohmique interne entraînent une répartition inégale du courant de charge entre les branches de batteries en parallèle. Une cellule présentant une résistance plus faible accepte généralement davantage de courant au début de la charge, tandis qu'une cellule présentant une résistance plus élevée en accepte moins. À mesure que la charge progresse, les différences d'état de charge, de tension en circuit ouvert et de polarisation modifient la répartition, créant souvent une forte divergence du courant en fin de charge. Les testeurs de batteries de précision permettent de mesurer ces différences avant l'assemblage et de valider la répartition du courant dans des profils de fonctionnement réalistes.
Point essentiel : les cellules en parallèle partagent la tension à leurs bornes, mais pas nécessairement le courant. Le décalage de résistance détermine la répartition initiale du courant, tandis que l'évolution de l'état de charge et de la polarisation détermine la façon dont cette répartition change au fil du temps.
Pourquoi les branches en parallèle ne partagent pas le courant de manière égale
Relation fondamentale du courant
Pour une branche d'un bloc de batteries en parallèle, le courant est approximativement régi par :
[ I=\frac{U_0-U_{\mathrm{OCV}}-U_p}{R} ]
où (U_0) est la tension commune aux bornes, (U_{\mathrm{OCV}}) est la tension en circuit ouvert de la cellule, (U_p) est la tension de polarisation et (R) est la résistance interne.
Comme ces valeurs diffèrent d'une cellule à l'autre, une tension égale aux bornes ne produit pas un courant de branche égal.
Une résistance plus faible attire davantage de courant initial
Au début de la charge, les cellules présentant une résistance interne plus faible ont une chute de tension résistive moindre pour un courant donné. Elles acceptent donc une part plus importante du courant appliqué.
Cela entraîne une augmentation plus rapide de leur état de charge et de leur OCV, tandis que les cellules présentant une résistance plus élevée accumulent leur charge plus lentement.
La répartition du courant évolue pendant la charge
Le déséquilibre initial peut partiellement se corriger. À mesure que l'OCV de la cellule à faible résistance augmente, la différence de tension effective qui entraîne l'apport de courant supplémentaire dans cette branche diminue.
Cela crée un certain degré de rétroaction négative, permettant aux branches à résistance plus élevée de prendre une part plus importante par la suite. Toutefois, cette correction n'est pas nécessairement complète, car la résistance, l'état de charge, l'OCV et la polarisation continuent d'évoluer différemment.
Pourquoi le problème devient plus grave à l'approche de la pleine charge
La polarisation devient un facteur majeur
Vers la fin de la charge, le courant de branche est influencé non seulement par la résistance ohmique, mais aussi par la tension de polarisation et les différences d'état de charge accumulées.
Pour les chimies présentant un plateau d'OCV relativement plat, comme le LiFePO₄, de faibles différences de résistance et d'état de charge peuvent entraîner une redistribution importante du courant, car l'OCV seule offre peu de distinction entre les cellules sur une grande partie de la plage de charge.
Une branche peut être soumise à une contrainte excessive
Une branche qui continue d'accepter un courant disproportionnellement élevé peut subir une dissipation de puissance accrue et un échauffement localisé plus important. Pendant ce temps, une autre branche peut rester insuffisamment chargée, car sa résistance plus élevée ou sa tension apparente aux bornes plus élevée limite son courant.
Il peut en résulter un vieillissement inégal, des contraintes thermiques, une réduction de la capacité utilisable et un risque accru de surcharge ou de sous-charge au niveau des cellules.
La tension aux bornes peut être trompeuse
Pendant une charge active :
[ V_{\mathrm{terminal}}=V_{\mathrm{OCV}}+I R+\text{effets de polarisation} ]
Une cellule à résistance élevée peut afficher une tension aux bornes supérieure alors que son état de charge réel est inférieur à celui d'une cellule voisine. Un système d'équilibrage qui s'appuie uniquement sur la tension instantanée aux bornes peut donc identifier la mauvaise cellule à équilibrer.
Comment les équipements de test peuvent aider
Mesurer la résistance avant l'assemblage
La caractérisation de la résistance de haute précision permet aux ingénieurs de quantifier les distributions de résistance interne en courant continu entre les cellules avant leur connexion en parallèle.
Les cellules peuvent ensuite être sélectionnées et appariées en fonction de leur résistance, de leur capacité, de leur état de charge et d'autres paramètres pertinents, plutôt que d'être assemblées uniquement sur la base de leur tension nominale.
Caractériser le comportement dynamique, et pas seulement une valeur unique de résistance
Une seule mesure de résistance peut ne pas représenter le comportement dans toutes les conditions de fonctionnement. Les systèmes de test de batteries multicanaux peuvent appliquer des profils contrôlés de charge, de décharge et d'impulsion tout en mesurant les réponses en tension et en courant.
Cela révèle le comportement de chaque cellule en fonction de :
- l'état de charge
- la température
- le courant de charge ou de décharge
- la durée de l'impulsion
- la durée de repos
- l'état de santé
Utiliser les tests par impulsions pour quantifier la DCIR
Le test de résistance interne en courant continu mesure la réponse en tension à une variation ou une impulsion de courant contrôlée. La chute de tension dynamique ainsi obtenue permet d'identifier les cellules qui tireront un courant excessif ou développeront une tension excessive à leurs bornes dans un bloc parallèle.
Les données d'impulsion permettent également d'analyser les capacités en puissance et aident à distinguer les cellules qui semblent similaires au repos, mais qui se comportent différemment sous charge.
Mesurer les courants de chaque branche
Lors des tests au niveau du module, une mesure indépendante du courant de chaque branche parallèle montre si le courant est effectivement réparti comme prévu.
C'est essentiel, car le courant au niveau du pack peut sembler normal alors qu'une branche transporte trop de courant et qu'une autre en fournit trop peu.
Vérifier le comportement dans des profils réalistes
Les plateformes de test peuvent reproduire les conditions de fonctionnement des véhicules électriques ou des systèmes de stockage d'énergie, notamment la charge à courant variable, les périodes de repos, les impulsions et les conditions thermiques.
Cela permet aux ingénieurs de valider :
- la stabilité de la répartition du courant
- l'échauffement localisé
- la divergence en fin de charge
- les performances du système d'équilibrage
- les critères d'appariement des cellules
- les marges électriques et thermiques au niveau du pack
Corriger l'erreur de tension liée à la résistance
Les systèmes de test avancés peuvent combiner les mesures de courant, de tension, de température et de résistance afin de séparer la véritable OCV de la chute instantanée (IR) et des effets de polarisation.
Les protocoles de test peuvent également inclure des périodes de repos suffisamment longues pour permettre aux tensions des cellules de se rapprocher de leur véritable OCV avant de prendre des décisions concernant l'état de charge ou l'équilibrage.
Comprendre les compromis
L'appariement des résistances améliore la cohérence, mais ne résout pas tout
Un appariement étroit des résistances réduit le déséquilibre initial du courant, mais ne peut pas éliminer les différences de capacité, d'état de charge, de comportement OCV-état de charge, de température ou d'historique de vieillissement.
Un processus d'appariement robuste doit donc prendre en compte un ensemble plus large de paramètres, et pas uniquement la DCIR.
La résistance dépend des conditions
La résistance mesurée varie en fonction de la température, de l'état de charge, du courant de mesure, de la durée de l'impulsion et de la méthode de test. Deux cellules peuvent présenter une résistance similaire dans une condition de test, puis diverger considérablement dans une autre.
Les spécifications de résistance n'ont de sens que lorsque la procédure de mesure est contrôlée et clairement définie.
L'équilibrage ne peut pas compenser indéfiniment une mauvaise sélection des cellules
Un système d'équilibrage peut corriger certaines différences d'état de charge, mais il ne peut pas supprimer complètement les contraintes thermiques et électriques causées par un déséquilibre persistant du courant.
Le classement des cellules et la validation au niveau des branches doivent donc avoir lieu avant de s'en remettre aux composants électroniques d'équilibrage.
Une instrumentation plus importante accroît la complexité des tests
Les mesures individuelles du courant, de la tension, de la température et de la résistance améliorent le diagnostic, mais ajoutent des exigences en matière de matériel, d'étalonnage, de gestion des données et de synchronisation.
L'instrumentation doit être sélectionnée en fonction de la décision qu'elle doit permettre de prendre : sélection des cellules, développement de modèles, validation de la sécurité ou contrôle qualité de la production.
Faire le bon choix en fonction de votre objectif
Les tests doivent relier les mesures au niveau des cellules au comportement réel des branches en parallèle, plutôt que de considérer la résistance interne comme une spécification isolée.
- Si votre priorité est l'appariement des cellules : mesurez la DCIR, la capacité, le comportement SOC-OCV et la réponse en température dans des conditions contrôlées avant l'assemblage en parallèle.
- Si votre priorité est la validation de la répartition du courant : utilisez des mesures indépendantes du courant des branches pendant une charge contrôlée afin d'identifier le déséquilibre dynamique et la divergence en fin de charge.
- Si votre priorité est la précision de l'équilibrage : combinez les mesures d'OCV après une période de repos ou l'analyse de la tension compensée en fonction de la résistance avec la surveillance individuelle des cellules.
- Si votre priorité est la fiabilité du pack : validez les cellules appariées dans des profils de charge représentatifs de véhicules électriques ou de systèmes de stockage d'énergie, y compris dans des conditions d'impulsion et thermiques.
- Si votre priorité est la qualité de production : définissez des méthodes reproductibles de test de la résistance et des performances afin que les cellules puissent être classées de manière cohérente entre les lots de fabrication.
Une caractérisation rigoureuse de la résistance et des tests au niveau des branches transforment le déséquilibre du courant, qui constitue un mécanisme inattendu de défaillance du pack, en une variable de conception mesurable et maîtrisable.
Tableau récapitulatif :
| Facteur | Effet sur la répartition du courant | Comment les tests peuvent aider |
|---|---|---|
| Décalage initial de résistance | Les cellules à faible résistance tirent davantage de courant ; celles à résistance élevée en tirent moins. | Mesurer la DCIR avant l'assemblage pour apparier les cellules. |
| Évolution de l'état de charge et de l'OCV | L'OCV des cellules à faible résistance augmente plus rapidement, ce qui équilibre partiellement le courant par la suite. | Surveiller les courants des branches pendant les cycles. |
| Polarisation (près de la fin de charge) | Forte divergence due au plateau d'OCV plat et aux effets de polarisation. | Effectuer des tests par impulsions pour caractériser la polarisation et la DCIR. |
| Température et vieillissement | Modifient la DCIR et aggravent le déséquilibre au fil du temps. | Valider le comportement dans des profils thermiques et de vieillissement réalistes. |
| Précision de l'équilibrage | La tension aux bornes peut induire l'équilibrage en erreur ; la véritable OCV est nécessaire. | Utiliser l'OCV après une période de repos ou une tension compensée en fonction de la résistance. |
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