Les cellules lithium-ion nécessitent une protection à plusieurs niveaux, car aucune limite de température unique ne peut empêcher l'emballement thermique. En règle générale, il convient de maintenir la température interne des cellules en dessous de 60 °C en fonctionnement continu et en dessous d'environ 75 °C dans des conditions de courte durée afin de limiter la dégradation et les dommages permanents. Les dispositifs de coupure thermique interrompent généralement le fonctionnement autour de 70 °C, tandis que les fusibles thermiques permanents non réarmables peuvent être calibrés autour de 104 °C ; ces seuils doivent être sélectionnés en fonction de la chimie, de la construction et de l'application spécifiques de la cellule, car l'emballement thermique peut commencer autour de 130 °C et entraîner la cellule bien au-delà de cette température.
Le principe central de la protection consiste à détecter rapidement toute tension, tout courant et toute température anormaux, puis à interrompre l'apport d'énergie avant que la cellule n'atteigne des conditions d'auto-échauffement. La protection thermique doit être associée à des contrôles électriques, à une surveillance au niveau des cellules, à des dispositifs de protection mécaniques et à des mesures limitant la propagation entre les cellules.
Pourquoi les limites thermiques doivent être appliquées à plusieurs niveaux
Température de fonctionnement continu
Un fonctionnement continu ou des essais à une température supérieure à environ 60 °C peuvent accélérer considérablement la perte de capacité et d'autres mécanismes de dégradation. Une cellule peut supporter une brève exposition à une température proche de 70 °C, mais cette valeur ne doit pas être considérée comme une température normale de fonctionnement.
Maintenir la cellule en dessous d'environ 75 °C constitue une limite supérieure pratique pour éviter les dommages permanents et réduire la probabilité qu'un défaut électrique évolue en événement thermique dangereux.
Température de coupure thermique
Un dispositif de coupure thermique réarmable, tel qu'un thermostat ou un interrupteur commandé par thermistance, est généralement configuré pour interrompre la charge ou la décharge autour de 70 °C.
Ce dispositif vise à interrompre l'apport continu d'énergie lors d'un événement de surchauffe. Son seuil de déclenchement exact doit tenir compte de l'emplacement du capteur, du retard thermique, de l'erreur de mesure, des conditions ambiantes et des limites définies par le fabricant de la cellule.
Calibre du fusible thermique
Un fusible thermique non réarmable peut être calibré autour de 104 °C en tant que dernière couche de protection.
Comme il déconnecte définitivement le circuit, il ne doit pas être utilisé comme mécanisme habituel de contrôle de la température. Il assure une isolation de sécurité intégrée si les commandes électroniques ou les protections réarmables n'interrompent pas le défaut.
Déclenchement de l'emballement thermique
L'emballement thermique peut commencer à des températures aussi basses qu'environ 130 °C, selon la chimie, l'état de charge, la conception de la cellule et la condition de sollicitation à l'origine du défaut.
Il ne s'agit pas d'une limite de fonctionnement sûre, mais d'un seuil de danger approximatif à partir duquel les réactions exothermiques peuvent s'accélérer plus rapidement que la chaleur ne peut être évacuée.
Quels mécanismes de protection sont nécessaires
Surveillance continue de la tension des cellules
Un système de gestion de batterie doit surveiller les tensions individuelles des cellules, et pas uniquement la tension du pack.
La surveillance au niveau des cellules détecte la surcharge, la décharge excessive, le déséquilibre et les comportements anormaux des cellules que les mesures au niveau du pack peuvent masquer. La surcharge est particulièrement dangereuse, car elle peut augmenter la production de gaz, l'échauffement interne et le risque de court-circuit interne.
Protection électronique contre les surintensités
Les circuits de protection doivent utiliser plusieurs seuils de courant adaptés au défaut détecté.
Un seuil inférieur peut traiter les surcharges prolongées, tandis qu'un seuil supérieur peut réagir rapidement aux courts-circuits ou aux transitoires importants. Le système de protection doit interrompre le courant avant que l'échauffement résistif n'entraîne la cellule dans une condition thermique abusive.
Interruption du courant par MOSFET ou PTC
Les interrupteurs MOSFET de puissance sont couramment utilisés pour déconnecter les voies de charge ou d'alimentation sous le contrôle du BMS.
Les dispositifs à coefficient de température positif (PTC) peuvent fournir une limitation passive supplémentaire du courant : lorsque leur température augmente, leur résistance augmente également et réduit le courant de défaut. Ces dispositifs limitent l'énergie du défaut, mais ne remplacent ni la surveillance de la tension des cellules ni un BMS correctement conçu.
Dispositifs thermiques réarmables et non réarmables
Une conception robuste associe généralement :
- Un capteur de température ou un thermostat pour la surveillance et l'arrêt contrôlé.
- Un dispositif réarmable de protection contre la surchauffe pour les défauts temporaires.
- Un fusible thermique non réarmable pour l'isolation finale si la température continue d'augmenter.
Les couches de protection doivent être coordonnées électriquement et thermiquement afin que la coupure électronique agisse en premier et que le fusible permanent reste une protection de secours.
Séparateurs à coupure
Certaines cellules utilisent un séparateur microporeux en polyoléfine qui ferme ses pores à environ 125 °C.
Cela peut réduire le transport ionique et supprimer le courant lors d'une élévation de température liée à un court-circuit. Toutefois, la coupure du séparateur est une protection interne à la cellule et ne remplace pas une protection externe contre les surintensités, car le séparateur peut perdre son efficacité si l'échauffement se poursuit ou si la cellule est endommagée mécaniquement.
Décharge de pression et dégazage
Les cellules et les modules doivent être équipés d'évents de décharge de pression contrôlés et, le cas échéant, de canaux de dégazage dédiés.
Ces dispositifs dirigent les gaz chauds et les vapeurs d'électrolyte à l'écart des cellules adjacentes et des composants critiques. La mise à l'air réduit le risque de rupture lié à la pression, mais les gaz expulsés peuvent être inflammables et ne doivent pas pouvoir s'accumuler à l'intérieur d'un boîtier.
Prévenir la propagation de l'emballement thermique
Isolation thermique entre les cellules
L'espacement entre les cellules, les barrières thermiques et l'isolation localisée peuvent limiter le transfert de chaleur d'une cellule défaillante vers ses voisines.
L'isolation doit être conçue en fonction de la chaleur libérée attendue, de la direction de l'évent, de la géométrie du boîtier et du système de refroidissement. Une barrière qui résiste aux températures normales peut être insuffisante face à une flamme directe ou à des gaz d'évent à haute température.
Boîtier résistant aux flammes
Les boîtiers des modules et des packs doivent utiliser des matériaux ignifuges et conserver leur intégrité structurelle en cas de défaillance d'une cellule.
Le boîtier doit également permettre la décharge de pression et l'acheminement des gaz. Un boîtier étanche peut transformer le dégazage en risque de surpression s'il ne dispose d'aucune voie de décharge conçue à cet effet.
Conception pour le confinement des défauts
La protection doit traiter à la fois l'événement déclencheur et ses conséquences.
Les courts-circuits internes, les dommages par écrasement, la pénétration de clous, la surcharge et les courts-circuits externes peuvent tous créer un échauffement localisé. La protection au niveau des cellules réduit l'énergie initiale du défaut, tandis que le confinement au niveau du module réduit la probabilité qu'une cellule défaillante enflamme ou surchauffe les cellules environnantes.
Normes et essais en conditions abusives
Les systèmes de batteries critiques pour la sécurité doivent être validés conformément aux normes applicables, notamment aux recommandations aéronautiques telles que RTCA DO-311A lorsqu'elles sont pertinentes.
Les essais doivent inclure les sollicitations électriques abusives, l'exposition thermique, l'écrasement, la pénétration de clous, les courts-circuits, la surcharge, le dégazage et les scénarios de propagation. La norme applicable dépend du produit, du mode de transport, de l'environnement d'installation et de la juridiction réglementaire.
Comment valider la protection thermique
Mesurer plus que la température de surface
Un capteur de surface peut ne pas détecter la zone la plus chaude à l'intérieur d'une cellule.
La validation doit corréler les mesures de température avec la tension de la cellule, le courant, la résistance interne, la production de gaz et le comportement d'auto-échauffement. Les systèmes d'essai doivent enregistrer ces signaux à des fréquences d'échantillonnage suffisantes pour identifier une montée en température rapide.
Caractériser l'auto-échauffement
Les méthodes calorimétriques telles que la calorimétrie accélératrice peuvent identifier la température à laquelle une cellule commence à s'auto-échauffer et la vitesse à laquelle cette réaction s'accélère.
La calorimétrie différentielle à balayage peut aider à caractériser les transitions thermiques et les réactions exothermiques dans les matériaux des cellules. Ces mesures contribuent à sélectionner les seuils de protection, mais n'éliminent pas la nécessité d'effectuer des essais complets de la cellule en conditions abusives.
Tester des conditions réelles de défaut
Une conception de protection est incomplète si elle est testée uniquement dans des conditions de surchauffe contrôlées.
Les dommages mécaniques et les courts-circuits internes peuvent produire un échauffement localisé avant que le capteur externe ne réagisse. Les essais d'écrasement et de pénétration de clous permettent de déterminer si le séparateur de la cellule, les dispositifs d'interruption du courant, l'évent et le boîtier offrent une protection significative dans des modes de défaillance réalistes.
Comprendre les compromis
Des seuils de coupure plus bas améliorent la sécurité, mais réduisent les performances utilisables
Un seuil de coupure thermique plus bas offre une marge supplémentaire avant d'atteindre les conditions d'emballement thermique, mais peut provoquer des arrêts intempestifs lors d'un fonctionnement à forte puissance ou dans des conditions de température ambiante élevée.
Le seuil de coupure doit être suffisamment élevé pour prendre en charge le cycle d'utilisation prévu, tout en restant largement inférieur aux limites de dégradation et d'auto-échauffement de la cellule.
Les fusibles thermiques sont fiables, mais permanents
Un fusible thermique fournit une barrière finale indépendante, mais une fois ouvert, la batterie doit être remplacée ou faire l'objet d'une intervention qualifiée.
Se fier au fusible comme moyen de contrôle principal est une mauvaise pratique, car cela permet à la cellule d'atteindre une température nettement supérieure à celle du seuil de coupure électronique normal.
Les dispositifs PTC limitent le courant, mais n'éliminent pas la chaleur
Un PTC réduit le courant lorsqu'il chauffe, mais il dissipe toujours de l'énergie et peut ne pas réagir assez rapidement à tous les défauts.
Sa résistance, son emplacement, les conditions ambiantes et son comportement de récupération doivent être évalués dans les conditions réelles de court-circuit et de charge impulsionnelle.
La température seule ne suffit pas
Les cellules lithium-ion ne fournissent pas un signal de température linéaire et fiable avant une défaillance, et un défaut interne localisé peut ne pas apparaître immédiatement au niveau du capteur.
La tension, le courant, la température, l'état de charge et le déséquilibre entre les cellules doivent donc être évalués conjointement. La protection électrique constitue souvent le moyen pratique le plus précoce d'arrêter un événement avant que l'escalade thermique ne devienne auto-entretenue.
La chimie et la construction modifient les limites
Les valeurs de 60 °C, 70 °C, 75 °C, 104 °C et 130 °C sont des points de référence utiles pour l'ingénierie, et non des garanties universelles.
Les limites applicables dépendent de la chimie de la cathode et de l'anode, de l'électrolyte, du séparateur, de l'état de charge, du format de la cellule, de l'emplacement du capteur, de la conception du refroidissement et des données de qualification du fabricant. Les seuils finaux doivent être définis à partir des spécifications du fournisseur de cellules et d'essais validés en conditions abusives.
Comment appliquer ces principes à votre projet
Utilisez les valeurs de température comme limites de conception, puis validez l'ensemble de la chaîne de protection dans les conditions réelles de la cellule et des défauts.
- Si votre priorité est le fonctionnement normal de la batterie : Maintenez la température continue des cellules en dessous d'environ 60 °C, utilisez environ 75 °C comme limite supérieure stricte de fonctionnement et vérifiez que le refroidissement et les limites de courant empêchent les élévations thermiques répétées.
- Si votre priorité est la protection électronique : Surveillez en continu la tension et la température de chaque cellule, et associez une déconnexion par MOSFET commandée par le BMS à une protection contre les surintensités à seuils multiples.
- Si votre priorité est l'isolation de sécurité intégrée : Ajoutez une coupure thermique réarmable proche de la limite de surchauffe validée ainsi qu'un fusible thermique non réarmable, potentiellement autour de 104 °C, comme protection de secours indépendante.
- Si votre priorité est la sécurité du module ou du pack : Prévoyez un boîtier résistant aux flammes, des voies contrôlées de mise à l'air ou de dégazage, une isolation thermique entre les cellules et un confinement conçu pour limiter la propagation.
- Si votre priorité est la qualification du produit : Testez la surcharge, le court-circuit, l'écrasement, la pénétration de clous, l'exposition thermique, le dégazage et la propagation, tout en enregistrant la tension, le courant, la température, la pression et le comportement d'auto-échauffement.
Une conception lithium-ion sûre maintient les cellules à distance des conditions d'emballement grâce à une interruption électrique coordonnée, à des limites thermiques, à des dispositifs de protection mécaniques et à un confinement validé.
Tableau récapitulatif :
| Couche de protection | Limite de température typique | Fonction |
|---|---|---|
| Fonctionnement continu | ≤ 60 °C | Prévenir la dégradation et les dommages |
| Fonctionnement de courte durée | ≤ 75 °C | Éviter les dommages permanents |
| Coupure thermique réarmable | ~70 °C | Interrompre le fonctionnement en cas de surchauffe |
| Fusible thermique non réarmable | ~104 °C | Isolation de sécurité intégrée |
| Déclenchement de l'emballement thermique | ~130 °C | Seuil de danger (pas une limite de fonctionnement sûre) |
| Coupure du séparateur | ~125 °C | Protection interne visant à supprimer le courant |
Veillez à ce que votre R&D sur les batteries respecte les normes de sécurité les plus strictes. KINTEK fournit des équipements de laboratoire complets pour la fabrication et les essais de cellules, notamment des outils de précision pour la validation de l'emballement thermique. Contactez dès aujourd'hui nos experts pour discuter de vos besoins et renforcer vos protocoles de sécurité des batteries. Contactez-nous !