Les cellules lithium-ion présentent une tension unitaire trop faible (de 3 à 4V) pour alimenter des systèmes électriques de forte puissance. Il est donc indispensable de les assembler en batterie pour élever le niveau de tension et être capable de délivrer les appels de courant de l’application.
Pour cela, les cellules sont assemblées en série (augmentation de tension) et en parallèle (augmentation de capacité et de courant admissible). Outre l’adaptation en tension et courant, un système batterie doit réaliser les fonctions suivantes :
- Maintenir les cellules lithium-ions dans leur zone de fonctionnement spécifiée ;
- Assurer la sécurité des utilisateurs ;
- Informer l’utilisateur de l’état de la batterie (énergie restante, puissance disponible, sécurité) ;
- Résister aux contraintes environnementales (vibrations, chocs, étanchéité, brouillard salin, compatibilité électromagnétique, feu accidentel…) ;
Pour cela, les éléments d’un système batterie doivent répondre aux exigences suivantes :
Electronique de surveillance des cellules batteries
Les tensions de chaque cellule, leur température et le courant qui les traverse doivent être surveillés en permanence pour rester dans des plages spécifiées par le fabricant. Par exemple, il est généralement interdit de charger une batterie lithium-ions quand sa température est inférieure à 0°C. De même, une batterie doit se mettre en sécurité lorsque sa température ou que sa tension sont trop élevées (par exemple plus de 60°C ou plus de 4,2V par cellule). Une électronique de gestion (BMS – Battery Management System) surveille en permanence ces variables pour informer l’application sur l’état de la batterie, voire pour protéger la batterie, par exemple en la coupant de l’application. Le BMS communique ainsi à chaque instant l’énergie restante et la puissance que la batterie peut délivrer. Certains BMS peuvent aussi estimer le vieillissement de la batterie.
Notons ici que les plages de fonctionnement autorisées par le BMS (tension, température et courant) ont une incidence significative sur la durée de vie de la batterie. Il convient de les choisir de façon appropriée pour garantir une durée de vie optimale.
Protection électrique
Si la tension de fonctionnement d’une cellule seule ne présente aucun danger, il n’en est pas de même pour des batteries comportant un grand nombre de cellules. Lorsque l’on conçoit une batterie, elle est développée pour une tension maximale de fonctionnement. Si par exemple cette tension maximale de fonctionnement est de 800 V, il faut que tous les conducteurs électriques soient isolés du châssis pour des valeurs de tension équivalentes, avec une marge de sécurité qui est généralement fixée à deux fois la tension maximale + 1 000 V, soit 2 600 V pour une batterie 800 V. Il revient donc au concepteur de s’assurer que toutes les pièces de connexion électriques soit isolées du châssis par une épaisseur de matière (air ou autre) suffisante pour isoler 2 600 V mais aussi par des lignes de fuite de courant minimale. Par exemple, un air propre permet d’assurer une tenue diélectrique de 3 kV par mm (moins en présence de poussières). En revanche, une potentielle fuite de courant le long d’un matériau isolant assure une tenue diélectrique limitée à 1,5 kV pour 1,5 mm.
Tenue aux contraintes environnementales (chocs, vibrations, CEM, étanchéité, feu, court-circuit externe, surcharge…) :
Comme tout système, la batterie va être soumise à un grand nombre de contraintes environnementales. Sa conception et son procédé de fabrication doivent être adaptés pour assurer sur toute la durée de vie une résistance à ces contraintes. Les cellules lithium-ions ne sont pas directement conçues pour résister à toutes ces agressions. Il est donc important que le système batterie assure une protection supplémentaire autour des cellules, de façon à les protéger de ces agressions extérieures.
Conditionnement en température et sécurité
Le conditionnement en température peut s’avérer indispensable pour garder les cellules dans une plage de fonctionnement sécuritaire. En effet, entre 75 et 110°C en fonction de la chimie, les cellules peuvent s’auto-échauffer puis partir en emballement thermique. L’emballement thermique correspond à une rapide montée en température suivi d’une ouverture de la cellule pour évacuer les gaz générés, voire un feu ou une explosion dans les pires cas. Pour éviter ce type de situation, les cellules ne doivent jamais dépasser 55 à 60°C de température de paroi. Les cellules lithium-ions sont conçues pour garder leur intégrité mécanique lors d’un emballement thermique fort et évacuer l’ensemble des gaz générés par l’intermédiaire d’un évent. La batterie devra être conçue de façon à permettre une évacuation des grandes quantités de gaz générés, mais aussi de façon à éviter la propagation d’un emballement thermique d’une cellule à l’autre.
De plus, un fonctionnement prolongé à une température élevée (>35°C) ou excessivement basse (<5°C) cause généralement un vieillissement prématuré de la batterie. Une étude menée par Renault et l’Université de Bordeaux (Journal of Power Sources 325 (2016) pages 273 à 285) montre que la vitesse de vieillissement est multipliée par 3,25 entre 30°C et 45°C. C’est encore plus significatif entre 30°C et 60°C, avec une multiplication de la vitesse de vieillissement par 21,5.
La performance de la batterie étant toujours limitée par le plus faible de ces éléments, il est donc très important de garantir une température des cellules la plus homogène possible pour avoir un vieillissement identique. Ceci a entrainé la mise en place par de nombreux constructeurs de systèmes de refroidissement liquide dans les batteries de véhicules électriques (cf figure ci-dessous).