Comment la cohérence des cellules au lithium affecte-t-elle la batterie ?

La quantité d'eau qu'un tonneau en bois peut contenir est déterminée par sa douve la plus courte. C'est ce qu'on appelle le "principe du tonneau".

Si nous comparons un bloc-batterie lithium-ion à un tonneau retenant l'eau, alors les cellules lithium individuelles qui composent le bloc-batterie sont les douves en bois. La performance de la pire cellule unique détermine la performance globale de l'ensemble du bloc-batterie.

Dans l'assemblage d'un bloc-batterie lithium-ion (PACK), la cohérence des cellules est d'une importance cruciale. Un bloc avec une faible cohérence des cellules verra ses performances—y compris la capacité, la durée de vie en cycles et les caractéristiques de charge/décharge—impactées négativement. Au fur et à mesure que le nombre de cycles de charge/décharge augmente, cet impact s'accroît. Mais quelle est l'ampleur de l'effet de ce "principe du tonneau" ?

Le bloc-batterie lithium-ion PACK suit le "principe du tonneau"

Une raison importante à cela est la gestion et le contrôle par le système de gestion de batterie (BMS). Le BMS d'un bloc-batterie au lithium comprend une protection contre la surcharge et la décharge excessive des cellules individuelles. Cela garantit que les cellules lithium-ion fonctionnent dans une plage de tension sûre et fiable pendant la charge et la décharge, empêchant la dégradation des performances, la réduction de la durée de vie, ou même les risques pour la sécurité causés par la surcharge ou la décharge excessive.

Impact de la cohérence pendant la décharge du bloc-batterie

Prenons l'exemple d'une cellule lithium ternaire (NMC/NCA). Sa tension de coupure de décharge d'une seule cellule est généralement de 2,5 V, et le BMS règle généralement la protection contre la décharge excessive d'une seule cellule à 2,8 V. La logique de protection du BMS est telle que lorsque la tension de n'importe cellule du bloc atteint 2,8 V, la protection contre la décharge excessive est déclenchée. Les MOSFET ou relais de décharge s'ouvrent et l'ensemble du bloc cesse de se décharger.

Considérez un bloc-batterie lithium ternaire 10 séries, 1 parallèle (10S1P). Supposons que parmi les 10 cellules, la cellule de capacité la plus faible soit de 2000 mAh, tandis que les 9 autres cellules ont toutes une capacité de 2500 mAh. Lorsque le bloc se décharge, les 10 cellules se déchargent simultanément. La tension de la cellule diminue à mesure que sa capacité diminue. Lorsque la cellule de 2000 mAh de capacité inférieure est complètement déchargée, sa tension atteindra 2,8 V. À ce moment, les 9 autres cellules (2500 mAh) ont encore une capacité restante, avec des tensions supérieures à 3,0 V. Cependant, comme le BMS a détecté que la tension d'une chaîne de cellules a atteint 2,8 V, il déclenche la protection contre la décharge excessive du bloc et arrête la décharge pour l'ensemble du bloc. Par conséquent, la capacité de décharge utilisable de l'ensemble du bloc est limitée à 2000 mAh.

L'impact de la cohérence pendant la charge est similaire au scénario de décharge.

Une cellule lithium ternaire est complètement chargée à 4,2 V. Le BMS règle généralement la protection contre la surcharge d'une seule cellule à 4,25 V. Au fur et à mesure que les cellules se chargent, leur tension augmente avec l'augmentation de la capacité. Lorsque la cellule de 2000 mAh de capacité inférieure est complètement chargée et que sa tension atteint 4,25 V, les 9 autres cellules ne sont pas encore complètement chargées (probablement en dessous de 4,1 V). Néanmoins, le BMS détecte qu'une chaîne de cellules dépasse 4,25 V et déclenche la protection contre la surcharge du bloc, arrêtant la charge pour l'ensemble du bloc. Cela se traduit par le fait que le bloc n'accepte qu'une charge de 2000 mAh.

C'est ainsi que se manifeste "l'effet tonneau" : la cellule avec la capacité la plus faible dicte à la fois la capacité de charge et de décharge de l'ensemble du bloc-batterie.

L'influence de la cohérence sur la durée de vie en cycles et les caractéristiques de charge/décharge du bloc suit également le "principe du tonneau". La performance globale du bloc est déterminée par la seule cellule avec la durée de vie en cycles et les caractéristiques de charge/décharge les plus mauvaises.

Comment la cohérence du bloc-batterie peut-elle être contrôlée ?

La cohérence du bloc-batterie implique des paramètres tels que la tension en circuit ouvert, la capacité et la résistance interne. À un niveau plus profond, elle comprend également des facteurs tels que la valeur K (taux d'autodécharge), la durée de vie en cycles et les caractéristiques de la courbe de charge/décharge.

Avant l'assemblage du PACK, les cellules subissent un tri et un appariement. Les critères d'appariement courants sont :

• Déviation de capacité : Contrôlée à moins de 1 %

• Différence de tension : Moins de 3 mV

• Différence de résistance interne (IR) : Moins de 2 mΩ

En ce qui concerne des facteurs tels que la valeur K, la durée de vie en cycles et les caractéristiques de charge/décharge, la cohérence doit être contrôlée à la source de fabrication des cellules. Cela comprend :

• L'utilisation de systèmes de matériaux identiques pour les cellules au sein du même lot de production.

• Le contrôle du taux de défauts dans la production de masse.

• La standardisation et l'automatisation du processus de production de masse des cellules.

En résumé :

En contrôlant rigoureusement la cohérence des cellules au sein d'un bloc-batterie au lithium, nous pouvons optimiser les performances du bloc à son plein potentiel, même sous l'influence du "principe du tonneau".