Comment l'équilibrage des cellules prolonge la durée de vie des batteries LifePo4 ?

Lorsque les appareils ont besoin d'une batterie longue durée et performantePack de batteries LifePo4, ils doivent équilibrer chaque cellule. Pourquoi la batterie LifePo4 a-t-elle besoin d'être équilibrée ? Les batteries LifePo4 sont soumises à de nombreuses caractéristiques, telles que les surtensions, les sous-tensions, les courants de surcharge et de décharge, l'emballement thermique et le déséquilibre de tension. L'un des facteurs les plus importants est le déséquilibre des cellules, qui modifie la tension de chaque cellule au fil du temps, réduisant ainsi rapidement la capacité de la batterie. Lorsqu'une batterie LifePo4 est conçue pour utiliser plusieurs cellules en série, il est important de concevoir des caractéristiques électriques permettant d'équilibrer constamment les tensions des cellules. Ceci est non seulement bénéfique pour les performances de la batterie, mais aussi pour optimiser son cycle de vie. La doctrine veut que l'équilibrage de la batterie intervienne avant et après sa fabrication, et qu'il soit effectué tout au long de son cycle de vie afin de maintenir des performances optimales ! L'équilibrage des batteries permet de concevoir des batteries de plus grande capacité pour différentes applications, car il permet à la batterie d'atteindre un état de charge (SOC) plus élevé. Imaginez connecter plusieurs cellules LifePo4 en série, comme si vous tiriez un traîneau avec plusieurs chiens. Ce traîneau ne peut être tracté avec une efficacité maximale que si tous les chiens roulent à la même vitesse. Avec quatre chiens, si l'un d'eux roule lentement, les trois autres doivent également réduire leur vitesse, ce qui réduit l'efficacité. Si l'un d'eux roule plus vite, il finira par tirer la charge des trois autres et se blessera. Par conséquent, lorsque plusieurs cellules LifePo4 sont connectées en série, leurs tensions doivent être égales pour obtenir une batterie LifePo4 plus performante. La batterie nominale LifePo4 est évaluée à seulement environ 3,2 V, mais ensystèmes de stockage d'énergie domestiqueAlimentations portables, applications industrielles, télécommunications, véhicules électriques et micro-réseaux : nous avons besoin d'une tension bien supérieure à la tension nominale. Ces dernières années, les batteries rechargeables LifePo4 ont joué un rôle essentiel dans les batteries d'alimentation et les systèmes de stockage d'énergie grâce à leur légèreté, leur densité énergétique élevée, leur longue durée de vie, leur grande capacité, leur charge rapide, leur faible autodécharge et leur respect de l'environnement. L'équilibrage des cellules garantit que la tension et la capacité de chaque cellule LifePo4 sont identiques, sans quoi l'autonomie et la durée de vie de la batterie LiFePo4 seront considérablement réduites, et ses performances dégradées ! Par conséquent, l'équilibrage des cellules LifePo4 est l'un des facteurs les plus importants pour déterminer la qualité d'une batterie. En fonctionnement, un léger écart de tension peut se produire, mais l'équilibrage des cellules permet de le maintenir dans une plage acceptable. Lors de l'équilibrage, les cellules de plus grande capacité subissent un cycle complet de charge/décharge. Sans équilibrage, la cellule ayant la capacité la plus faible constitue un point faible. L'équilibrage des cellules est l'une des fonctions essentielles du BMS, avec la surveillance de la température, la charge et d'autres fonctions qui contribuent à optimiser la durée de vie du pack. Autres raisons d'équilibrer la batterie : Utilisation incomplète de l'énergie du PCAK de la batterie LifePo4 Absorber un courant supérieur à celui prévu ou court-circuiter la batterie est susceptible de provoquer une défaillance prématurée. Lorsqu'une batterie LifePo4 se décharge, les cellules les plus faibles se déchargent plus vite que les cellules saines et atteignent leur tension minimale plus rapidement que les autres. Lorsqu'une cellule atteint sa tension minimale, la batterie entière est également déconnectée de la charge. Il en résulte une capacité énergétique inutilisée. Dégradation cellulaire Lorsqu'une cellule LifePo4 est surchargée, même légèrement au-delà de sa valeur recommandée, son efficacité et sa durée de vie s'en trouvent réduites. Par exemple, une légère augmentation de la tension de charge de 3,2 V à 3,25 V accélère la dégradation de la batterie de 30 %. Ainsi, si l'équilibrage des cellules n'est pas précis, une légère surcharge peut réduire la durée de vie de la batterie. Charge incomplète d'un pack de cellules Les batteries LifePo4 sont chargées à un courant continu compris entre 0,5 et 1,0. La tension de la batterie LifePo4 augmente à mesure que la charge progresse, puis, lorsqu'elle est complètement chargée, diminue ensuite. Imaginez trois cellules de 85 Ah, 86 Ah et 87 Ah respectivement, avec un SoC de 100 % : toutes les cellules sont alors déchargées et leur SoC diminue. Vous constaterez rapidement que la cellule 1 est la première à se décharger, car elle a la capacité la plus faible. Lorsque les blocs de cellules sont alimentés et que le même courant circule dans les cellules, la cellule 1 reste en retrait pendant la charge et peut être considérée comme complètement chargée, car les deux autres cellules le sont également. Cela signifie que la cellule 1 a une efficacité coulométrique (EC) réduite en raison de son auto-échauffement, ce qui entraîne une inégalité entre les cellules. emballement thermique Le pire qui puisse arriver est l'emballement thermique. Comme nous le savons,cellules au lithiumLes batteries LifePo4 sont très sensibles à la surcharge et à la décharge excessive. Dans un pack de 4 cellules, si une cellule est à 3,5 V et les autres à 3,2 V, la charge chargera toutes les cellules ensemble, car elles sont en série, et la cellule à 3,5 V sera soumise à une tension supérieure à celle recommandée, car les autres batteries doivent encore être rechargées. Cela entraîne un emballement thermique lorsque la production de chaleur interne dépasse la vitesse à laquelle la chaleur peut être libérée. La batterie LifePo4 devient alors thermiquement incontrôlée. Quelles sont les causes du déséquilibre des cellules dans les batteries ? Nous comprenons maintenant pourquoi il est essentiel de maintenir l'équilibre des cellules d'une batterie. Cependant, pour résoudre ce problème, il est essentiel de comprendre pourquoi les cellules se déséquilibrent. Comme indiqué précédemment, la mise en série d'une batterie garantit que toutes les cellules conservent le même niveau de tension. Ainsi, une batterie neuve aura toujours des cellules équilibrées. Cependant, lors de sa mise en service, les cellules se déséquilibrent en raison des facteurs suivants. Écart SOC Mesurer l'état de charge d'une cellule est complexe ; il est donc très complexe d'évaluer l'état de charge de cellules spécifiques dans une batterie. Une méthode optimale d'harmonisation des cellules devrait harmoniser les cellules de même état de charge plutôt que de niveaux de tension (OCV) identiques. Cependant, comme il est quasiment impossible d'harmoniser les cellules uniquement en termes de tension lors de la fabrication d'un pack, une variation de l'état de charge peut entraîner une modification de l'OCV à terme. Variante de résistance intérieure Il est extrêmement difficile de trouver des cellules présentant la même résistance interne (RI). Avec le vieillissement de la batterie, cette résistance varie également. Par conséquent, toutes les cellules d'une même batterie n'ont pas la même RI. Comme nous le savons, la RI renforce l'insensibilité interne de la cellule, ce qui détermine le courant qui la traverse. La variation de la RI entraîne également des variations du courant et de la tension. Niveau de température La capacité de charge et de décharge d'une cellule dépend également de la température ambiante. Dans un pack de batteries important, comme celui des véhicules électriques ou des panneaux solaires, les cellules sont réparties sur une zone de décharge et une différence de température peut exister au sein du pack, ce qui fait qu'une cellule se charge ou se décharge plus rapidement que les autres, créant ainsi une inégalité. Au vu des facteurs ci-dessus, il est clair qu'il est impossible d'empêcher le déséquilibre des cellules tout au long du processus. La seule solution consiste donc à utiliser un système externe qui oblige les cellules à se rééquilibrer après un déséquilibre. Ce système est appelé système d'équilibrage de batterie. Comment atteindre l'équilibre d'un pack de batteries LiFePo4 ? Système de gestion de batterie (BMS) En général, la batterie LiFePo4 ne peut pas atteindre l'équilibrage de la batterie par elle-même, cela peut être réalisé ensystème de gestion de batterie(BMS). Le fabricant de batteries intégrera la fonction d'équilibrage de la batterie et d'autres fonctions de protection, telles que la protection contre les surtensions de charge, l'indicateur d'état de charge, l'alarme/protection contre les surchauffes, etc., sur cette carte BMS. Chargeur de batterie Li-ion avec fonction d'équilibrage Également appelé « chargeur de batterie d'équilibrage », ce chargeur intègre une fonction d'équilibrage pour prendre en charge différentes batteries avec différents nombres de chaînes (par exemple, 1 à 6 S). Même si votre batterie n'est pas équipée d'un BMS, vous pouvez charger votre batterie Li-ion avec ce chargeur pour obtenir l'équilibrage. Planche d'équilibre Lorsque vous utilisez un chargeur de batterie équilibré, vous devez également connecter le chargeur et votre batterie à la carte d'équilibrage en sélectionnant une prise spécifique de la carte d'équilibrage. Module de circuit de protection (PCM) La carte PCM est une carte électronique connectée à la batterie LiFePo4 et sa fonction principale est de protéger la batterie et l'utilisateur contre les dysfonctionnements. Pour garantir une utilisation sûre, la batterie LiFePo4 doit fonctionner sous des paramètres de tension très stricts. Selon le fabricant et la composition chimique de la batterie, cette tension varie entre 3,2 V par cellule pour les batteries déchargées et 3,65 V par cellule pour les batteries rechargeables. La carte PCM surveille ces paramètres de tension et déconnecte la batterie de la charge ou du chargeur en cas de dépassement. Dans le cas d'une seule batterie LiFePo4 ou de plusieurs batteries LiFePo4 connectées en parallèle, cette opération est simple car la carte PCM surveille les tensions individuelles. En revanche, lorsque plusieurs batteries sont connectées en série, la carte PCM doit surveiller la tension de chaque batterie. Types d'équilibrage de batterie Différents algorithmes d'équilibrage ont été développés pour les batteries LiFePo4. Ils se divisent en deux méthodes : passive et active, basées sur la tension et l'état de charge de la batterie. Équilibrage passif de la batterie La technique d'équilibrage passif des batteries sépare l'excédent de charge d'une batterie LiFePo4 pleinement chargée grâce à des éléments résistifs et confère à toutes les cellules une charge équivalente à la charge la plus faible de la batterie LiFePo4. Cette technique est plus fiable et utilise moins de composants, réduisant ainsi le coût global du système. Cependant, cette technologie réduit l'efficacité du système car l'énergie est dissipée sous forme de chaleur, ce qui génère des pertes énergétiques. Par conséquent, cette technologie est adaptée aux applications basse consommation. Équilibrage actif de la batterie L'équilibrage actif de la charge est une solution aux défis liés aux batteries LiFePo4. La technique d'équilibrage actif des cellules décharge la charge de la batterie LiFePo4 à haute énergie et la transfère à la batterie LiFePo4 à faible énergie. Comparée à la technologie d'équilibrage passif des cellules, cette technique économise l'énergie du module de batterie LiFePo4, augmentant ainsi l'efficacité du système. Elle réduit également le temps d'équilibrage entre les cellules du bloc-batterie LiFePo4, permettant ainsi des courants de charge plus élevés. Même lorsque le bloc-batterie LiFePo4 est au repos, même des batteries LiFePo4 parfaitement adaptées se déchargent à des rythmes différents, car le taux d'autodécharge varie en fonction du gradient de température : une augmentation de 10 °C de la température de la batterie double déjà ce taux. Cependant, l'équilibrage actif de la charge peut rétablir l'équilibre des cellules, même au repos. Cependant, cette technique utilise des circuits complexes, ce qui augmente le coût global du système. Par conséquent, l'équilibrage actif des cellules est adapté aux applications haute puissance. Il existe différentes topologies de circuits d'équilibrage actifs classées en fonction des composants de stockage d'énergie, tels que les condensateurs, les inducteurs/transformateurs et les convertisseurs électroniques. Globalement, le système de gestion active de batterie réduit le coût global des batteries LiFePo4, car il ne nécessite pas de surdimensionnement des cellules pour compenser la dispersion et le vieillissement irrégulier des batteries LiFePo4. La gestion active de batterie devient cruciale lorsque d'anciennes cellules sont remplacées par des nouvelles et que les batteries LiFePo4 présentent des variations importantes. Grâce à la possibilité d'installer des cellules présentant d'importantes variations de paramètres, les systèmes de gestion active de batterie augmentent les rendements de production et réduisent les coûts de garantie et de maintenance. Par conséquent, les systèmes de gestion active de batterie améliorent les performances, la fiabilité et la sécurité des batteries, tout en contribuant à la réduction des coûts. Résumer Afin de minimiser les effets de la dérive de tension des cellules, les déséquilibres doivent être correctement modérés. L'objectif de toute solution d'équilibrage est de permettre à la batterie LiFePo4 de fonctionner à son niveau de performance prévu et d'augmenter sa capacité disponible. L'équilibrage de la batterie n'est pas seulement important pour améliorer les performances etcycle de vie des batteriesElle renforce également la sécurité des batteries LiFePo4. Cette technologie émergente améliore la sécurité et la durée de vie des batteries. En suivant l'équilibrage requis pour chaque cellule LiFePo4, cette nouvelle technologie prolonge la durée de vie de la batterie et améliore sa sécurité globale.