Le taux d'utilisation de la capacité correspond à la capacité utilisable du pack en série divisée par la capacité maximale disponible de la cellule ayant la plus faible capacité. Sous forme de formule :
[ \text{Taux d'utilisation de la capacité} = \frac{Q_{\text{pack,max}}}{Q_{\text{cellule min,max}}} \times 100% ]
Un pack connecté en série ne nécessite un équilibrage que lorsque le déséquilibre du SOC amène une cellule à atteindre prématurément sa limite de charge ou de décharge, empêchant ainsi le pack d'utiliser la capacité disponible des autres cellules.
La cellule ayant la plus faible capacité établit le plafond de capacité fondamental d'un pack en série. L'équilibrage n'est utile que lorsque le déséquilibre, et non la capacité intrinsèque de la cellule, limite la capacité utilisable du pack.
Définition du taux d'utilisation de la capacité
La capacité au niveau du pack
Dans une chaîne en série, le même courant traverse chaque cellule. La capacité utilisable du pack est donc limitée par la cellule qui atteint en premier une limite de tension ou de SOC pendant le fonctionnement.
La capacité maximale disponible du pack est la capacité qui peut réellement être fournie dans les conditions d'essai définies, sans dépasser les limites de charge ou de décharge d'une quelconque cellule.
La cellule ayant la plus faible capacité comme référence
La référence pertinente est la capacité maximale disponible de la cellule individuelle ayant la plus petite capacité du pack.
Le taux d'utilisation mesure ainsi l'efficacité avec laquelle le pack exploite la capacité que sa cellule ayant la plus faible capacité permet théoriquement d'atteindre, plutôt que de la comparer à la capacité moyenne ou nominale de toutes les cellules.
Interprétation du rapport
Un taux d'utilisation élevé signifie que le pack fournit presque toute la capacité disponible de sa cellule ayant la plus petite capacité.
Un taux plus faible indique que des facteurs tels que le déséquilibre du SOC, les différences de résistance interne, la polarisation, l'autodécharge, les variations thermiques ou le vieillissement amènent le pack en série à s'arrêter avant que cette capacité puisse être pleinement utilisée.
Pourquoi les packs en série deviennent limités par la capacité
Les cellules ne restent pas identiques
Les variations de fabrication donnent aux cellules des capacités, des résistances internes et des valeurs initiales de SOC différentes. Ces différences peuvent s'accentuer avec le vieillissement, les températures inégales et les taux d'autodécharge différents.
Par conséquent, les cellules connectées en série peuvent ne plus atteindre des valeurs de SOC équivalentes, même si elles sont traversées par le même courant.
Les limites de tension mettent fin au cycle
Lors de la charge, une cellule ayant un SOC plus élevé ou une résistance plus importante peut atteindre la limite supérieure de tension avant que les autres cellules ne soient pleines. Le chargeur doit alors arrêter la charge ou réduire le courant afin d'éviter la surcharge de cette cellule.
Lors de la décharge, une cellule ayant un SOC plus faible ou une capacité plus faible peut atteindre la limite inférieure de tension en premier. La décharge doit alors s'arrêter afin d'éviter une décharge excessive.
La tension aux bornes seule est insuffisante
Une différence de tension peut indiquer un déséquilibre, mais elle ne révèle pas entièrement sa cause. Des tensions aux bornes similaires peuvent masquer des différences de résistance interne, de tension de polarisation, de capacité réelle ou de SOC.
Pour prendre une décision fiable concernant l'équilibrage, les essais doivent évaluer ces paramètres internes et liés à la capacité, plutôt que de se fonder uniquement sur les différences de tension instantanées.
Quand l'équilibrage est nécessaire
La cellule ayant la capacité minimale atteint prématurément une limite
L'équilibrage est nécessaire lorsque la cellule ayant la capacité minimale ne peut pas atteindre la pleine charge et terminer sa décharge aux points appropriés du cycle parce que les cellules présentent des valeurs de SOC différentes.
En pratique, le pack est limité par le déséquilibre avant que les cellules aient été utilisées de manière homogène sur leur plage de fonctionnement disponible.
L'équilibrage peut augmenter la capacité du pack
L'équilibrage est justifié lorsque la redistribution de la charge peut retarder le moment où la première cellule atteint sa limite de charge ou de décharge.
Cela permet au pack d'accéder à une plus grande partie de la capacité disponible de la cellule ayant la plus faible capacité et peut améliorer le taux d'utilisation de la capacité mesuré.
La décision doit reposer sur le comportement mesuré
Les ingénieurs en R&D des batteries déterminent le besoin d'équilibrage au moyen d'essais contrôlés de charge-décharge et d'analyses de cohérence.
Les mesures importantes comprennent :
- Capacité réelle de la cellule, (Q)
- État de charge, SOC
- Résistance interne continue ou ohmique, (R)
- Tension de polarisation, (U_p)
- Déséquilibre du courant de branche
- Comportement de la tension de la cellule et du pack pendant les cycles
Ces mesures permettent de distinguer une limitation de capacité causée par une faiblesse réelle de la cellule d'une limitation due à un déséquilibre de SOC corrigeable.
Quand l'équilibrage n'est d'aucune utilité
La cellule la plus faible définit déjà la véritable limite
Si la cellule ayant la plus petite capacité atteint en premier les limites de pleine charge et de décharge complète, tandis que les autres cellules ne sont ni surchargées ni trop déchargées, le pack fonctionne conformément à sa contrainte de capacité intrinsèque.
Dans cette situation, l'équilibrage ne peut pas augmenter la capacité totale disponible. Le facteur limitant est la capacité maximale réelle de la cellule, et non un déséquilibre de charge pouvant être éliminé.
L'équilibrage ne peut pas créer la capacité manquante
L'équilibrage peut redistribuer la charge, mais il ne peut pas restaurer la capacité perdue en raison du vieillissement, de la dégradation, de l'augmentation de la résistance ou de dommages permanents.
Dans un tel cas, l'équilibrage ajoute de la complexité opérationnelle et augmente la consommation d'énergie sans accroître la capacité utilisable du pack.
L'équilibrage doit avoir un objectif mesurable
Une stratégie d'équilibrage ne doit fonctionner que lorsqu'elle peut produire une amélioration concrète, telle qu'une augmentation de la capacité de décharge, une meilleure acceptation de la charge, une meilleure convergence des tensions ou une réduction des contraintes exercées sur les cellules individuelles.
En l'absence d'une telle amélioration, un équilibrage continu peut gaspiller de l'énergie et accélérer le fonctionnement inutile des circuits.
Comprendre les compromis
Équilibrage passif
L'équilibrage dissipatif, ou passif, élimine la charge excédentaire des cellules présentant un SOC élevé, généralement en la convertissant en chaleur.
Cette approche est relativement simple, mais l'énergie dissipée réduit le rendement et peut accroître les exigences en matière de gestion thermique.
Équilibrage actif
L'équilibrage non dissipatif, ou actif, transfère l'énergie des cellules présentant une tension ou un SOC élevé vers celles présentant une tension ou un SOC plus faible.
Des méthodes telles que les convertisseurs DC-DC flyback bidirectionnels peuvent améliorer l'utilisation de l'énergie, mais elles nécessitent un matériel, une logique de commande et une validation plus complexes.
Équilibrage excessif
Équilibrer chaque différence de tension détectable peut être contre-productif. Les différences de tension peuvent résulter d'une polarisation temporaire ou d'une variation de résistance plutôt que d'un déséquilibre significatif du SOC.
Les seuils d'équilibrage doivent donc être liés aux comportements mesurés de la capacité, du SOC, de la résistance et de la polarisation.
Coût du matériel et complexité de la commande
Des circuits d'équilibrage plus performants peuvent améliorer les résultats dans une plage plus large de conditions de déséquilibre entre les cellules, mais ils augmentent le volume et le coût du pack, ainsi que la complexité de la commande et les exigences en matière d'essais.
Les données de caractérisation aident les ingénieurs à choisir un matériel dimensionné pour les conditions réelles de déséquilibre plutôt que pour des hypothèses de cas extrême qui ne se produisent jamais en fonctionnement.
Faire le bon choix en fonction de votre objectif
La bonne décision dépend de la question de savoir si la limitation du pack est causée par un déséquilibre corrigeable ou par la capacité intrinsèque de la cellule la plus faible.
- Si votre objectif principal est de mesurer la capacité du pack : comparez la capacité maximale disponible du pack à la capacité maximale disponible de la cellule ayant la plus petite capacité, et analysez quelle cellule atteint ses limites en premier.
- Si votre objectif principal est de déterminer si un équilibrage est nécessaire : activez l'équilibrage lorsque le déséquilibre du SOC provoque une limitation prématurée de la charge ou de la décharge et que l'équilibrage peut accroître la capacité utilisable du pack.
- Si votre objectif principal est d'améliorer l'efficacité énergétique : privilégiez une stratégie d'équilibrage dont le coût énergétique est justifié par des gains mesurés en matière d'utilisation de la capacité et de convergence des tensions.
- Si votre objectif principal est de diagnostiquer l'incohérence entre les cellules : évaluez la capacité, le SOC, la résistance interne, la tension de polarisation et le déséquilibre du courant au lieu de vous fier uniquement aux différences de tension aux bornes.
Un pack en série ne mérite d'être équilibré que lorsque le déséquilibre, et non la capacité réelle de la cellule la plus faible, limite l'énergie que le pack peut fournir en toute sécurité.
Tableau récapitulatif :
| Facteur | Description |
|---|---|
| Taux d'utilisation de la capacité | Capacité maximale utilisable du pack ÷ capacité maximale de la cellule ayant la plus faible capacité × 100 % |
| Équilibrage nécessaire | Lorsque le déséquilibre du SOC amène une cellule à atteindre prématurément les limites de charge ou de décharge, réduisant ainsi la capacité utilisable |
| Équilibrage non nécessaire | Lorsque la cellule la plus faible limite intrinsèquement la capacité ; l'équilibrage ne peut pas créer la capacité manquante |
| Mesures clés | Capacité de la cellule (Q), SOC, résistance interne (R), tension de polarisation (Up), déséquilibre du courant |
| Types d'équilibrage | Passif (dissipatif) contre actif (non dissipatif) |
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