¶ I - Introduction
Le fonctionnement des accumulateurs au lithium ionique est optimal sur une plage de température comprise entre 0°C et 40°C. Les limites de fonctionnement sont quant à elles dissymétriques en fonction du mode de fonctionnement. En effet, en charge la batterie doit être absolument maintenue entre 0°C et 50°C pour assurer la sécurité en fonctionnement de la batterie. Pour la décharge, la plage est un peu plus permissive avec une plage de fonctionnement comprise entre -20°C et 65°C.
Cependant, l'utilisation prolongée des batteries à des températures négatives réduit fortement leurs performances du fait du ralentissement des réactions électrochimiques à ces températures. Pour ces températures, la charge est plus critique, car elle peut provoquer des dégâts irréversibles du fait de l'apparition d'un dépôt de lithium métallique autour de l'anode générée par le phénomène de "Lithium Plating". Ce phénomène engendre une perte irréversible de lithium sous forme ionique qui ne peut, par conséquent, plus intervenir dans les réactions d'oxydo-réduction. Une perte irréversible de la capacité de stockage de l'accumulateur est alors observée réduisant également sa durée de vie.
Une température de fonctionnement trop élevée ralentit également les réactions électrochimiques ainsi que la durée de vie de l'accumulateur parfois de façon irréversible. Une surchauffe des accumulateurs se traduit par une augmentation interne de la pression. Si cette pression devient trop importante, un phénomène de dégazage peut être observé. Ce phénomène de dégazage peut être également accompagné de l'inflammation de l'électrolyte contenue dans l'accumulateur. Si ces événements ne sont pas circonscrits à l'accumulateur défaillant, un phénomène d'emballement thermique peut être observé avec la destruction complète du pack batterie.
Le système BMS a pour principale mission de garantir la sécurité de fonctionnement de l'assemblage d'accumulateur qui lui est associé. Plusieurs événements, classés ASIL C ou D par la norme ISO 26262, sont particulièrement redoutés et sont, de ce fait absolument à éviter lors du fonctionnement d'une batterie lithium-ion. Plusieurs de ces événements sont directement en lien avec la température de fonctionnement des accumulateurs, de l'environnement ou du système électronique associé. Par conséquent, la gestion thermique de la batterie est un module critique du système de gestion global. Une bonne gestion thermique est essentielle pour garantir non seulement sa sécurité de fonctionnement, mais également une durée de vie optimale.
Pour résumer, afin de garantir un niveau de sécurité de fonctionnement suffisant et une durée de vie optimale, il est nécessaire de maintenir les accumulateurs lithium-ion le plus loin que possible des températures limitrophes de leur plage de fonctionnement. Ainsi un fonctionnement sur une plage contenue entre 15°C et 35°C permet une utilisation en toute sécurité et une durée de vie optimale. Le BMS surveille donc la température du pack en plusieurs points. Son objectif est de contrôler :
- La température de fonctionnement des cellules, devant être comprise idéalement entre 15°C et 35°C, pour garantir des performances et une durée de vie optimales.
- L'homogénéité de la température au sein du bloc cellule afin d'optimiser la durée de vie et l'endurance du pack batterie.
- La mise en sécurité de la batterie en cas d'emballement thermique afin d'en limiter la propagation.
Sur l'aspect thermique, les batteries lithium-ion se caractérisent physiquement par leur excellent rendement de charge/décharge et leur grande inertie thermique. Leur bon rendement permet de limiter l'échauffement des accumulateurs lorsqu'ils sont soumis à un courant de sollicitation. Leur grande inertie thermique, caractérisée par un bon coefficient m × Cp, se traduit par une évolution lente de la température cellule. Ainsi les batteries lithium peuvent être utilisées à des puissances élevées sans que leurs températures n'augmentent de manière significative.
Ces deux caractéristiques impliquent, pour les packs batteries utilisées à un faible régime, qu'une convection naturelle suffit au refroidissement des batteries dans un environnement à 25°C. Un système de refroidissement n'est alors pas nécessaire. Bien que n'étant pas une nécessité, l'intégration d'un système de gestion thermique permet l'utilisation des batteries à des régimes plus important ou dans des environnements plus exigent. Ainsi, ils permettent d'améliorer les performances ainsi que la durée de vie des batteries.
¶ II - Refroidissement
Le refroidissement est l'un des deux aspects de la gestion thermique du pack batterie. Le principe et d'évacuer la chaleur générée par les pertes, principalement liées à l'effet Joule, dans tous les conducteurs du système. La puissance perdue par effet Joule étant proportionnelle au carré de l'intensité électrique, la question du refroidissement devient essentielle pour les applications à puissance d'utilisation élevée.
La capacité d'extraction thermique du pack batterie dépend fortement des conditions d'utilisation. En effet, la difficulté d'évacuer la chaleur s'accroît également avec l'écart entre la température batterie et la température de l'environnement. Par exemple dans des conditions estivales avec une température extérieure de 30 °C, il est 4 fois plus difficile de maintenir un pack batterie à 40°C que dans des conditions hivernales où la température extérieure est de 0°C.
Ainsi, plusieurs systèmes de refroidissement, possédant divers niveaux de complexités et d'efficacité, peuvent être intégré en fonction du régime d'utilisation et des contraintes environnementales dans lesquelles les batteries seront utilisées. Les différentes technologies peuvent être catégorisées en deux familles : les systèmes passifs et les systèmes actifs. Ainsi, l'on peut opter pour l'une de ces technologies de refroidissement :
- Les systèmes de refroidissement passifs : Le principe est d'évacuer la chaleur par radiation ou convection naturelle vers l'environnement extérieur. Ce type de système est plus facile d'implémentation et moins coûteux. La quantité de chaleur pouvant être dissipée est cependant limitée et dépend fortement de la température ambiante de l'environnement.
- Les systèmes actifs à air : Comme pour les systèmes passifs, le principe est d'évacuer directement la chaleur vers l'environnement extérieur. L'échange thermique se fait cependant en convection forcée ce qui permet d'augmenter les performances du système. Comparés aux systèmes actifs à eau ou à liquide caloporteur, les systèmes à air sont plus légers et ne présentent pas de problématique d'étanchéité. Cependant, ces systèmes sont limités par la faible capacité de l'air à absorber la chaleur.
- Le débit massique du fluide (Dm) exprimé en kg/s
- La chaleur spécifique (Cp) exprimée en J/kg.K
- L'écart de température du fluide entre son entrée et sa sortie (ΔT) exprimée en K ou °C.
- Refroidissement actif par fluide caloporteur : Ces systèmes utilisent une ou plusieurs surfaces froides sur lesquelles circule un fluide caloporteur dans un serpentin. La chaleur est ainsi dissipée par conduction entre les matières solides, puis par convection avec le fluide. Le fluide passe ensuite dans un radiateur qui dissipe la chaleur dans l'atmosphère ou passe dans un système de climatisation si la température ambiante de ne permet pas de garantir le refroidissement nécessaire.
- Refroidissement circuit de climatisation :
Information
La puissance thermique absorbée par un fluide, exprimée en Watt, dépend essentiellement de trois critères :
La formule mathématique permettant de calculer la puissance dissipée est la suivante :
P = Dm * Cp * ΔT
Pour augmenter la capacité de refroidissement augmente avec l'accroissement du débit massique. Ce débit est limité par la puissance et les limites de bruit pouvant être générées par le ventilateur ou le pulseur utilisé. Des turbulences peuvent également apparaître à des débits importants entraînant une perte d'efficacité dans les échanges thermiques.
La gamme standard de batteries Olenergies a été développée pour des besoins d'utilisation à régimes faible à moyen (0.5C à 1C en continu). À ces régimes d'utilisation, un système de refroidissement passif est largement suffisant pour la plupart des cas d'utilisations. Une importance particulière a donc été apportée au choix des matériaux composant la batterie dans l'objectif de diminuer la résistance thermique entre les cellules et les faces extérieures des batteries afin de maximiser les échanges thermiques avec l'environnement extérieur.
Pour les applications plus spécifiques des solutions sur mesure peuvent être apportées, notamment sur les batteries de la gamme Olenpack, ou des systèmes de refroidissement actif à air ou à liquide ont été développés.
¶ III - Préchauffage
Le maintien en température des batteries pour des utilisations à basse température et le second aspect devant être traité par le système de gestion thermique. En lien direct avec la dégradation des performances électrochimiques des accumulateurs lithium-ion, les batteries devant être utilisées à des températures basses requiert l'intégration d'un système de chauffage.
Le principe de ces systèmes est très simple, lorsque la batterie est utilisée le système de préchauffage doit maintenir la température de la batterie dans sa zone de fonctionnement idéale. Si la batterie n'est pas utilisée, une alimentation externe (un chargeur) doit être utilisée pour chauffer la batterie, via le système de chauffage, avant que le système BMS n'autorise l'utilisation de la batterie. Ainsi, lors de son utilisation, la température de la batterie est toujours maintenue dans la zone de fonctionnement optimal ce qui permet de maximiser ses performances et de minimiser son vieillissement.
Des versions spécifiques "grand froid" sont disponibles dans la gamme de batteries Olenergies. Elle intègre un système de pré-conditionnement thermique pouvant s'alimenter directement aux bornes du pack batterie ou via un chargeur. La puissance de chauffe de ces systèmes dépend de la taille de la batterie ce qui permet d'étendre l'utilisation des batteries en charge pour des températures extérieures pouvant atteindre les -20°C. Le tableau ci-dessous reprend les ordres de grandeur des puissances de chauffage installées dans les différentes batteries de la gamme Olenergies.
| Modèle | OlenBox S | OlenBox L | OlenBox Lmax | OlenBox XL |
|---|---|---|---|---|
| Puissance du système de chauffage | 18W | 60W | 80W | 120W |
Le système BMS pilote le système de chauffage en suivant la logique de pilotage représentée sur le schéma ci-dessous.
Le système de pré-conditionnement thermique permet de maintenir la batterie en température pour permettre, autant que possible, la charge de la batterie sans période d'attente lié au préchauffage de la batterie. Si la batterie ne peut plus maintenir sa température à un niveau convenable, le système BMS peut réchauffer la batterie via une alimentation externe avant de à nouveau autoriser l'utilisation de la batterie. Cela permet de garantir les meilleures performances que possibles ainsi qu'une durée de vie optimisée. Le système de chauffage est dimensionné pour juste fournir l'énergie nécessaire au maintien de la batterie au-dessus de 0°C. L'impact sur l'auto-décharge de la batterie reste donc limité.