La protection contre la surcharge au niveau de chaque cellule est essentielle, car un chargeur pour montage en série ne peut détecter que la tension totale du bloc, et non la tension de chaque cellule. Si une cellule de capacité inférieure ou autrement plus faible atteint sa pleine charge avant les autres, la tension globale du bloc peut rester inférieure au seuil de coupure. La charge continue donc, soumettant cette cellule à une tension supérieure à sa limite de fonctionnement sûre et pouvant entraîner la décomposition de l’électrolyte, la génération de gaz, une surchauffe rapide, un emballement thermique ou un incendie.
La sécurité d’un bloc en série est limitée par sa cellule la plus vulnérable. La surveillance de la tension de chaque cellule, la protection contre la surcharge, l’équilibrage ainsi que la validation lors de la fabrication et des essais empêchent les mesures globales du bloc de masquer une situation dangereuse au niveau d’une cellule individuelle.
Pourquoi la surveillance de la tension au niveau du bloc est insuffisante
Les cellules en série partagent le courant, mais pas nécessairement le même état
Les cellules connectées en série sont parcourues par le même courant de charge, mais elles n’ont pas nécessairement la même capacité, la même impédance, la même température, le même taux d’autodécharge ni le même état de charge (SOC).
Un chargeur de bloc évalue généralement la somme des tensions des cellules. Cette mesure peut sembler acceptable alors qu’une cellule a déjà dépassé sa tension de sécurité.
La cellule la plus faible atteint sa limite en premier
Supposons qu’une cellule ait une capacité utilisable inférieure à celle des autres. Pendant la charge, elle atteint 100 % de SOC plus tôt, tandis que les autres cellules continuent d’accepter la charge.
La tension totale du bloc peut rester inférieure au seuil de coupure du chargeur, qui continue alors à fournir du courant. La cellule déjà pleine reçoit donc une charge supplémentaire au lieu de devenir simplement « plus pleine ».
La surcharge peut provoquer un incident de sécurité
La surcharge des cellules lithium-ion pousse les électrodes positive et négative au-delà de leurs plages de fonctionnement prévues. L’électrolyte peut se décomposer et produire du gaz, tandis que les réactions génératrices de chaleur s’accélèrent à mesure que l’état de la cellule se dégrade.
Dans les cas graves, l’élévation de température devient auto-entretenue et entraîne un emballement thermique, un dégazage, un incendie ou une explosion. La protection au niveau de chaque cellule constitue donc un dispositif de sécurité essentiel, et pas seulement un moyen d’améliorer la capacité.
Pourquoi la protection est importante pendant la fabrication et les essais
La fabrication révèle les variations réelles entre les cellules
Même une production de cellules étroitement contrôlée engendre des différences de performances des électrodes, de capacité, d’impédance, de dimensions physiques et de comportement d’autodécharge. Des variables de procédé telles que l’uniformité de la suspension, l’épaisseur du revêtement, la densité des électrodes et la régularité du pressage influencent la similitude du comportement des cellules.
La fabrication des blocs doit tenir compte de ces variations au lieu de supposer que les cellules issues du même lot de production sont électriquement identiques.
Les essais doivent surveiller chaque cellule individuellement
Un système d’essai de bloc qui enregistre uniquement la tension totale peut ne pas détecter le mode de défaillance exact à l’origine du risque de surcharge. Les essais multicanaux doivent surveiller la tension de chaque cellule et, le cas échéant, la température, la réponse au courant, l’impédance et les variations de capacité pendant les cycles de charge et de décharge.
Cela permet d’identifier les cellules qui atteignent prématurément les limites de tension, développent une autodécharge anormale ou s’écartent du reste de la chaîne.
La protection réduit la dépendance à un tri coûteux
Un tri précis des capacités peut réduire les écarts avant l’assemblage, mais le tri seul ne constitue pas un mécanisme de sécurité permanent. Après l’assemblage, les cellules vieillissent différemment, et la température de fonctionnement, les dommages ainsi que les fuites électriques peuvent modifier leur comportement relatif.
La protection contre la surcharge au niveau de chaque cellule constitue une mesure de sécurité continue, tandis que les essais et les conditions de fonctionnement révèlent le comportement réel des cellules.
Quelles sont les causes du déséquilibre entre les cellules en conditions réelles d’utilisation ?
Les variations de fabrication créent le déséquilibre initial
De faibles différences dans les propriétés des électrodes et les caractéristiques initiales des cellules peuvent donner à celles-ci des capacités, des impédances, des rendements de charge et des courants de fuite différents.
Ces différences peuvent être minimes au début, mais deviennent plus importantes après des cycles répétés, en particulier lorsque les cellules sont soumises à des températures ou des charges différentes.
Les courants d’autodécharge entraînent une divergence persistante du SOC
La cause la plus directe du déséquilibre normal du SOC dans une chaîne en série est la variation du courant d’autodécharge d’une cellule à l’autre. Une cellule qui perd sa charge plus rapidement prend progressivement du retard sur les autres entre deux événements de charge.
Les gradients thermiques peuvent accélérer ce processus. Les cellules fonctionnant à des températures différentes peuvent présenter des comportements d’autodécharge différents. Un refroidissement ou une répartition de la chaleur inégaux peuvent donc séparer progressivement leurs niveaux de SOC.
Le vieillissement n’est pas uniforme
Les cycles répétés ne vieillissent pas toutes les cellules au même rythme. Une cellule peut subir une exposition plus importante à la température, des contraintes locales plus élevées ou une dégradation plus sévère que les cellules voisines.
Lorsque sa capacité ou son rendement de charge évolue, le comportement de sa tension et de son SOC diverge de celui du reste de la chaîne. La cellule vieillie peut alors devenir la cellule limitante pendant la charge comme pendant la décharge.
Les dommages et les utilisations abusives créent un déséquilibre anormal
Les dommages mécaniques, l’échauffement localisé, les défauts de fabrication ou toute autre utilisation abusive peuvent augmenter le courant de fuite ou le taux d’autodécharge d’une cellule. Celle-ci peut alors perdre son SOC nettement plus rapidement que les cellules en bon état.
Un déséquilibre anormal peut également résulter d’un circuit de BMS qui prélève un courant inégal ou du remplacement d’une cellule sans faire correspondre son SOC initial à celui de la chaîne existante.
Les gradients de température amplifient les différences électriques
Des cellules présentant des résistances internes différentes peuvent générer des quantités de chaleur différentes sous le même courant. Les différences de contact thermique ou de refroidissement peuvent encore accroître l’écart de température.
Cela crée une boucle de rétroaction : les variations électriques produisent des variations thermiques, et les variations thermiques modifient le comportement d’autodécharge et de vieillissement.
Les différences de rendement coulombique s’accumulent au fil des cycles
De petites différences de rendement de charge et de décharge peuvent amener les cellules à conserver des quantités de charge légèrement différentes après chaque cycle. L’effet peut être à peine visible sur un cycle, mais devenir significatif après de nombreux cycles.
C’est l’une des raisons pour lesquelles les essais de cohérence des cellules doivent examiner leur comportement sur des cycles répétés, plutôt que de se limiter à une mesure initiale de la tension.
Comprendre les compromis
La variation de capacité n’est pas identique à un déséquilibre persistant du SOC
Des capacités différentes peuvent amener les cellules à atteindre des niveaux de SOC différents lorsque la chaîne fonctionne en dehors de son point de consigne d’équilibrage. Dans ce sens, un écart de capacité peut donner l’impression qu’une cellule est déséquilibrée pendant les cycles normaux.
Cependant, la variation de capacité n’est pas nécessairement la source directe d’une dérive persistante du SOC. Lorsque les cellules reviennent au point de consigne d’équilibrage, elles peuvent avoir le même SOC tout en conservant des capacités totales différentes. Le problème pratique de sécurité demeure : pendant une charge, la cellule de plus faible capacité peut atteindre sa pleine charge en premier.
La résistance interne influence indirectement l’équilibrage
Une différence de résistance ne signifie pas automatiquement qu’une cellule perd son SOC plus rapidement. Ses principaux effets peuvent être une chute de tension sous charge et une génération de chaleur inégale.
Ces chutes de tension peuvent fausser les calculs d’équilibrage du BMS, tandis qu’un échauffement inégal peut modifier l’autodécharge et le vieillissement. La résistance contribue donc principalement au déséquilibre par l’intermédiaire des erreurs de mesure et des effets thermiques.
L’équilibrage ne peut pas remplacer la protection contre la surcharge
L’équilibrage contribue à réduire les différences de SOC entre les cellules, mais il doit fonctionner dans des limites définies de tension et de courant. Il ne peut pas rendre sûre une cellule devenue dangereuse en raison de dommages internes ou d’une fuite excessive.
Les limites indépendantes de surtension au niveau de chaque cellule doivent rester actives même lorsque l’équilibrage est activé.
La surcharge n’est pas une stratégie d’équilibrage valide
Surcharger délibérément les cellules pour égaliser leur capacité peut accélérer leur dégradation et accroître l’échauffement. Toute méthode d’équilibrage doit empêcher la tension de la cellule de dépasser sa limite de sécurité.
L’objectif approprié est une égalisation contrôlée du SOC dans des conditions surveillées, et non le fait de forcer les cellules au-delà de leur plage de fonctionnement électrochimique.
Comment appliquer ces principes à votre projet
Le processus de conception et d’essai doit prendre en compte à la fois les causes initiales des écarts et les dangers qui apparaissent après l’assemblage.
- Si votre priorité est la sécurité : utilisez une surveillance indépendante de la tension de chaque cellule et des dispositifs de coupure en cas de surcharge pendant la charge, la fabrication du bloc et les essais de validation.
- Si votre priorité est l’efficacité de fabrication : améliorez la régularité des procédés liés aux électrodes et utilisez des essais multicanaux pour identifier les variations significatives sans dépendre uniquement d’un tri manuel approfondi des capacités.
- Si votre priorité est la longévité du bloc : maîtrisez les gradients thermiques, évaluez les différences d’autodécharge et de rendement coulombique, et appliquez un équilibrage avec des limites définies de tension et de courant.
- Si votre priorité est la validation du BMS : testez les seuils de tension de chaque cellule, le comportement de l’équilibrage, les effets de la température, les fuites anormales et les scénarios de remplacement d’une cellule.
- Si votre priorité est la détection des défauts : suivez les cellules qui divergent en matière de tension, d’impédance, de température ou de capacité pendant des cycles répétés, au lieu d’évaluer l’état du bloc à partir de la seule tension totale.
Les blocs-batteries fiables connectés en série nécessitent une protection et des mesures au même niveau que celui où les défaillances commencent : la cellule individuelle.
Tableau récapitulatif :
| Cause du déséquilibre | Description |
|---|---|
| Variation de fabrication | Différences dans les propriétés des électrodes et les caractéristiques initiales des cellules. |
| Courants d’autodécharge | La variation du taux d’autodécharge d’une cellule à l’autre entraîne une divergence du SOC. |
| Vieillissement non uniforme | Les cellules vieillissent à des rythmes différents en raison des écarts de température et de contraintes. |
| Dommages ou utilisation abusive | Les dommages mécaniques ou les défauts de fabrication augmentent les fuites. |
| Gradients de température | Un refroidissement inégal entraîne des différences d’autodécharge et de vieillissement. |
| Différences de rendement coulombique | De faibles écarts à chaque cycle s’accumulent au fil du temps. |
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