La sécurité des batteries lithium-ions n’est pas un sujet simple. Quels sont les risques liés à l’utilisation de batteries lithium-ions? Comment éviter tout problème de sécurité?

Les risques liés aux batteries lithium-ions

Lorsqu’une batterie lithium est soumise à des températures croissantes, quel que soit le type de batterie lithium, il y a un seuil à partir duquel une réaction d’emballement thermique est déclenchée. Cette réaction va entrainer une forte génération de gaz inflammables à l’intérieur de la batterie concernée et ces gaz vont être évacués soit par un évent prévu à cet effet, soit par l’explosion de l’enveloppe de la batterie.

Pour assurer la sécurité et quelle que soit la chimie utilisée, il faut donc empêcher l’arrivée d’un emballement thermique. Un système électronique de gestion batterie (BMS) surveille en permanence la batterie et l’isole en cas de soucis. Le BMS surveille notamment la température de la batterie et les événements susceptible de créer un échauffement de la batterie (surcharge, surcourant, défaut d’isolement…). Il s’agit d’un organe de sécurité majeur et il doit être développé en suivant les règles de l’art de sécurité fonctionnelle (ISO61508, 13849 et/ou 26262 par exemple). En outre, des protections mécaniques permettront d’éviter l’apparition un court-circuit interne non protégé par le BMS.

Enfin, en cas d’emballement accidentel (défaut de fabrication), la conception de la batterie doit être vérifiée pour empêcher la propagation de l’emballement thermique au reste de la batterie (distance entre les cellules, ségrégation de la batterie, test de propagation selon ISO62619).

Les figures ci-dessous présentent les résultats d’essai d’emballement thermique pour des cellules 18650 avec les chimies NCA (à gauche) et LFP (à droite). L’article complet est disponible à l’adresse suivante : https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2015/ra/c5ra05897j.

Les cellules LFP s’emballent plus tard que les cellules NCA et la vitesse d’emballement est moins rapide. Mais s’il y a emballement, celui-ci reste dangereux, avec une température de plus de 450°C atteinte au niveau de la cellule et une propagation possible aux cellules voisines si elles sont collées.

Vous trouverez en suivant le lien une vidéo d’un emballement thermique d’une cellule LFP : https://www.youtube.com/watch?v=p21iZVFHEZk . Il n’y a pas de feu, mais un fort dégazage suivi d’une explosion (regarder entre 2mn et 2mn25s).

A l’adresse suivante, vous trouverez la vidéo d’une propagation d’emballement thermique d’une cellule 18650 à une autre (la chimie LCO est la plus réactive) https://www.youtube.com/watch?v=24fYrV2vCPk.

Les paragraphes suivants listent les différents risques à considérer lors de la conception d’une batterie lithium-ions et les moyens de protection à mettre en place.

Décharge profonde

Une recharge après un stockage prolongé à très basse tension (hors spécification fabricant) peut entraîner un départ de feu des cellules. Toutes les technologies avec électrode négative graphite sont concernées (LFP, NCA, NMC). Les technologies avec électrode négative LTO sont beaucoup moins sensibles à ce problème (voir TechLetter WATTALPS présentation électrodes négatives et positives).

Moyen de protection recommandé par WATTALPS : BMS avec mesure des tensions de chaque cellule, détection de seuil et machine d’état pour interdire la recharge après une décharge profonde.

Surcharge

Contrairement aux batteries Plomb ou NiMH, les batteries lithium-ions ne supportent pas la surcharge. Les cellules individuelles disposent en général de dispositifs de protection contre la surcharge à 12V, mais pas contre une surcharge dans une batterie à plus haute tension. Une surcharge dans une batterie entraînera donc un emballement thermique.

Moyen de protection recommandé par WATTALPS : BMS avec mesure des tensions de chaque cellule et détection de seuil. Un fonctionnement hors plage de sécurité entraîne la déconnexion de la batterie de l’application. Pour certaine application, il peut être dangereux de déconnecter la puissance sans prévenir. Cela doit être pris en compte dans le développement du système batterie.

Surcourant de charge/décharge

Les surcourants de charge entrainent du dépôt de lithium métal sur l’électrode négative (les technologies LTO y sont moins sensibles). La répétition de ces surcourants va créer des dendrites de lithium qui vont finir par créer un court-circuit à l’intérieur des cellules concernées et par conséquent créer un emballement thermique.

Moyen de protection recommandé par WATTALPS : BMS avec mesure du courant batterie, de la température et de l’état de charge. Une cartographie de limitation de courant en fonction des conditions d’usage permet au BMS de détecter les fonctionnements hors zone de sécurité. Un fonctionnement hors plage de sécurité entraîne la déconnexion de la batterie de l’application.

Température excessive

Au-delà d’une certaine température (75 à 100°C environ), une réaction en chaîne se produit pour toutes les technologies de cellule lithium-ions. Celle-ci se traduit par un emballement thermique de la cellule, puis par une évacuation de gaz inflammables sous pression, voire de feu et/ou d’explosion.

Moyen de protection recommandé par WATTALPS : BMS avec mesure de température et détection de seuil. Un fonctionnement hors plage de sécurité entraîne la déconnexion de la batterie de l’application.

Court-circuit interne cellule

Lors des étapes de productions des cellules lithium-ions, les collecteurs de courant en cuivre ou en aluminium sont découpés. Lors de cette opération, des copeaux peuvent se déposer sur les électrodes des cellules. Lors de l’usage de la batterie, ces copeaux peuvent percer le séparateur et créer un court-circuit interne, suivi d’un emballement thermique.

Moyen de protection recommandé par WATTALPS : conception produit avec évacuation des gaz et espacement des cellules. Validation avec test de propagation selon ISO62619, SAEJ2464, UL2271.

Court-circuit externe batterie

Une mauvaise connexion de batterie ou un accident peuvent mettre en contact les câbles de la borne positive et de la borne négative du bus de puissance. Un tel court-circuit peut engendrer un départ de feu combiné à un fort échauffement de la batterie, résultant en un emballement thermique généralisé de la batterie.

Moyen de protection recommandé par WATTALPS : Fusible pour les courts-circuits francs et BMS avec protection contre les surcourants pour les courts-circuits impédants. Test de court-circuit externe pour le transport comme préconisé par l’ADR (UN38.3).

Court-circuit interne batterie

Les chocs et vibrations liés à l’application, tout comme un accident peuvent créer un contact électrique entre 2 parties de la batterie, générant ainsi un court-circuit avec les mêmes conséquences que le court-circuit externe.

Moyen de protection recommandé par WATTALPS : conception produit pour empêcher les contacts entre les pièces sous tension et toute autre pièce métallique. Tests de chocs et vibrations pour le transport comme préconisé par l’ADR (UN38.3) et tests mécaniques selon la réglementation automobile UN R100 révision 2 (chocs, vibrations, intégrité mécanique).

Feu

Un feu externe à la batterie peut faire monter la température des cellules et les porter au seuil de déclenchement de l’emballement thermique.

Moyen de protection recommandé par WATTALPS : conception de la batterie avec des matériaux non inflammables et validation par test au feu de la réglementation automobile UN R100 révision 2.

Electrocution

Dans une batterie avec une tension supérieure à 60V, toute personne étant en contact avec 2 pièces nues sous tension de la batterie est en danger de mort.

Moyen de protection recommandé par WATTALPS : Conception du produit pour assurer une bonne tenue diélectrique selon la norme NF EN 61439-1 et vérification de la conception par test au diélectrimètre à 2 fois la tension nominale + 1000V, et par mesure de la résistance d’isolement selon la réglementation automobile UN R100 révision 2. Un contrôleur d’isolement peut être ajouté au système pour mesurer en permanence la résistance d’isolement entre les pôles de la batterie et le châssis du véhicule.

 

Nous constatons que deux éléments principaux protègent contre tous ces risques :

  • le système électronique de gestion batterie (BMS) : celui-ci doit donc être développé selon les standards internationaux pour assurer la sécurité fonctionnelle des produits (IEC61508, ISO13859, ISO26262…)
  • la conception et les tests de qualification : la conception de la batterie doit être particulièrement soignée et robuste. Cette robustesse doit être testée et validée par des tests de qualification.

 

Tableau de synthèse

RisqueProtectionMoyen / contrôle recommandé par WATTALPS
SurdéchargeBMSASIL B/C ready et test UN R100 V2 ou UL2271
SurchargeBMSASIL B/C ready et test UN R100 V2 ou UL2271
SurcourantBMS et fusibleASIL B/C ready
SurtempératureBMSASIL B/C ready et test UN R100 V2 ou UL2271
Court-circuit interne celluleConception batterieTest de propagation IEC62619 et/ou SAE J2464
Court-circuit externe batterieFusibleTest UN R100 V2
Court-circuit interne batterieConception batterieTests chocs, vibration, intégrité mécanique UN R100 V2
FeuConception batterieTest UN R100 V2
ElectrocutionConception batterieMesure de résistance d’isolement selon UN R100 V2 + Tests chocs, vibration, intégrité mécanique UN R100 V2