Comment les cellules d'une batterie se déséquilibrent et se rééquilibrent par le BMS ?
Plan de l'article :
Dotée d'une multitude d'unités qu'on appelle des cellules, les batteries lithium-ion ne sont pas une simple pile unique qui aurait deux pôles (+ et -). En effet, elles sont composées d'un grand nombre de petites batteries individuelles qu'on appelle cellules. Ces cellules sont incarnées par des tubes cylindriques ou encore des poches, mais cela ne change absolument rien au principe d'assemblage et de fonctionnement de la batterie.
Quand on met en parallèles plusieurs cellules, on a alors une grosse cellule qu'on appelle un module. Il faut donc comprendre que plusieurs cellules mises en parallèle doivent être considérées comme une seule et même cellule (elles vont d'ailleurs s'équilibrer toutes seules en se transmettant du courant, même si tout est coupé).
Dans le texte je vais parfois parler de cellule et de module, et ça revient à parler de la même chose ... Je tenais donc à le préciser pour éviter toute confusion.
A lire aussi : l'architecture des batteries au lithium
Cellules qui doivent être équilibrées ?
Pour que le fonctionnement de la batterie soit optimal, à savoir exploiter le maximum de son potentiel tout en limitant les risques d'incendie, les cellules doivent être équilibrées.
Mais de quel équilibre parle-t-on ? Il s'agit bien entendu de l'énergie qu'elles peuvent délivrer, à savoir la réserve qu'il reste en elles.
Pour connaître la réserve en énergie d'une batterie ou cellule, il suffit de mesurer le voltage entre les deux pôle, à savoir le différentiel de potentiel. Plus il est élevé, plus la batterie est chargée.
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Ici on a en réalité 3 grosses cellules en série (qu'on appelle des modules) composées chacune de 2 cellules en parallèle. Vous remarquerez qu'elles sont déséquilibrées car le niveau de charge est différent. Sachez qu'il ne peut pas y avoir de déséquilibre sur les cellules mises en parallèle (ici par deux) car dans le cas contraire elles s'échangent naturellement de l'énergie pour atteindre un niveau d'équilibre. Il faut donc impérativement que le niveau de charge soit proche lors du montage, car dans le cas contraire ces flux d'énergie peuvent être très puissants et induire un effet Joule qui mène à des températures dangereuses menant à un potentiel emballement (= incendie)
Le but de l'équilibrage consiste à éviter qu'il y ait des différences (Volts) entre les cellules, car dans le cas inverse on a des risques de surcharge ou décharge profonde au niveau de certaines cellules (risque d'incendie à cause d'un emballement thermique, et le décalage s'accentue au fil des cycles), avec une batterie qui délivre son énergie de manière un peu chaotique et imprévisible, avec une courbe de décharge non linéaire et des chutes de voltage qui peuvent être soudaines (avec potentiellement des pertes de puissance et une chute du niveau de charge affiché). De plus, cela empêche d'exploiter pleinement les capacités de l'ensemble des cellules, car le dispositif qui a la responsabilité de charger la batterie arrête de charger dès qu'une des cellules/modules a atteint son voltage maximal admissible (pour des questions de sécurité), à savoir 4.1 Volts généralement (quand il s'agit de NMC, avec un éventail situé entre 3.3 et 4.1 Volt, à savoir des niveaux de charge de 0 à 100%).
Si le BMS arrive normalement (dépend de sa sophistication et des branchements vers les modules) à gérer son petit troupeau de cellules / modules en effectuant des équilibrages passifs ou actifs, Il faut parfois utiliser un stratagème pour l'aider à rééquilibrer l'ensemble des cellules qui constituent la batterie, et je vous invite à consulter le lien ci-dessous pour le savoir.
A lire : Comment recalibrer une batterie qui a des cellules déséquilibrées ?
Comment le BMS rééquilibre les cellules ?
Il y a deux méthodes qui sont employées pour rééquilibrer les cellules et modules.
Le BMS est connecté aux bornes qui lie les différents modules du pack; ce qui lui permet de surveiller les tension (et donc le niveau de charge) de chacun des modules. Il va aussi pouvoir agir en déchargeant des modules ou en répartissant l'énergie de manière équitable dans ces derniers
Rééquilibrage passif
Il s'agit ici de voir quel est le module le plus déchargé et d'aligner les autres sur ce dernier. Par exemple, si j'ai 3 cellules/modules de 3.4V / 3.9V / 3.8V, le BMS va décharger les cellules (car oui, il le peut via des résistances) de plus de 3.4V pour les ramener toutes à cette valeur, avec comme résultat trois cellules : 3.4V / 3.4V / 3.4V.
Il est toutefois dommage que cette méthode gaspille de l'énergie en générant un effet Joule qui ne sert à rien.
Rééquilibrage actif
Dans ce cas le BMS va répartir l'énergie des modules pour qu'il y ait une tension égale pour chacun d'entre eux. Si par exemple j'ai 3 modules de 3.5V / 3.7V / 3.9V, le BMS va tout simplement "prendre 0.2V" (en réalité il prend des Ah évidemment, mais ça induit une baisse de voltage) au dernier pour le donner au premier : 3.5V + 0.2 / 3.7V / 3.9V -0.2 = 3.7V / 3.7V / 3.7V.
C'est une méthode plus intelligente que le rééquilibrage passif.
Qu'est-ce qui peut provoquer un déséquilibre ?
Beaucoup de choses peuvent induire un déséquilibre de cellule.
En premier lieu il faut savoir que les batteries LFP ont plus facilement tendance à se retrouver dans cette situation de déséquilibre des cellules, et c'est pour cela qu'il est recommandé de charger de temps à autres à 100%.
Ce qui provoque le déséquilibre est bien évidemment la décharge non régulière des cellules les unes par rapport aux autres. Ces dernières ont en effet des vitesses qui peuvent varier en raison de leur éventuelle auto-décharge (lié à une dégradation de la chimie de certaines cellules, et cela peut donc même se produire quand la batterie n'est pas utilisée) mais aussi en raison d'une vitesse de décharge qui varie en raison de la température de la cellule (qui sont plus ou moins chaudes selon leur emplacement dans le pack batterie), de sa résistance, de son impédance et de sa capacité originelle (qui varie un peu d'une cellule à l'autre, et ce malgré une fabrication industrielle de précision).
Symptômes d'une batterie qui a des cellules à équilibrer ?
Les signes qui indiquent une batterie dotée de cellules asymétriquement chargées sont les suivants :
- Chute soudaine du niveau de charge indiqué sur l'interface Homme / machine
- Coupures régulières lors de la recharge
- Pertes de capacités de la batterie inexpliquées
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