Qu'est-ce qu'une batterie Li-Ion ou lithium-ion ?
Une batterie lithium-ion (Li-Ion) est un type de batterie rechargeable couramment utilisée dans les appareils électroniques portables, tels que les téléphones mobiles, les ordinateurs portables, les appareils photo numériques, les vélos électriques, les outils manuels et les dispositifs de stockage d'énergie, entre autres.
Ces batteries fonctionnent selon un processus électrochimique dans lequel les ions lithium se déplacent entre une électrode négative en graphite et une électrode positive en oxyde métallique de lithium pendant la charge et la décharge. Ce mouvement des ions lithium génère le courant électrique utilisé pour alimenter les appareils.
Les cellules lithium-ion ont une tension nominale d'environ 3,7 volts. Cependant, pendant la charge et la décharge, la tension réelle peut varier d'environ 4,2 volts à pleine charge à environ 3,0 volts à pleine décharge, en fonction de la chimie exacte de la batterie et des spécifications du fabricant.
Les batteries lithium-ion sont populaires en raison de leur densité énergétique élevée, ce qui signifie qu'elles peuvent stocker de grandes quantités d'énergie dans une taille relativement petite et légère par rapport aux autres types de batteries rechargeables. De plus, elles ont un faible taux d’autodécharge par rapport aux autres technologies de batteries rechargeables, ce qui signifie qu’elles peuvent conserver leur charge pendant de longues périodes lorsqu’elles ne sont pas utilisées.
Cependant, les batteries lithium-ion présentent également certaines limites, comme leur sensibilité aux surcharges et aux décharges profondes, qui peuvent réduire leur durée de vie si elles ne sont pas manipulées correctement. Ils peuvent également être sujets à une inflammation, voire à une explosion, s’ils sont physiquement endommagés ou mal utilisés. En outre, un autre problème qui se pose lors de la construction de packs de batteries constitués d’éléments individuels est le déséquilibre des cellules.
Qu’est-ce que le déséquilibre des cellules d’une batterie lithium-ion ?
Le déséquilibre des cellules d’une batterie lithium-ion fait référence aux disparités d’état de charge ou de décharge entre les différentes cellules individuelles qui composent la batterie. Ce déséquilibre peut survenir en raison de divers facteurs, notamment :
- Variations de fabrication : les cellules individuelles d'une batterie lithium-ion peuvent présenter de légères différences en termes de capacité, de résistance interne ou d'autres caractéristiques en raison de variations dans le processus de fabrication.
- Conditions d'utilisation inégales : les cellules individuelles peuvent connaître des conditions de charge et de décharge différentes en raison de facteurs tels que la température ambiante, le courant de charge et de décharge appliqué, la fréquence d'utilisation et le niveau de contrainte mécanique.
Un déséquilibre cellulaire peut avoir plusieurs effets négatifs, notamment :
- Capacité effective réduite : si certaines cellules atteignent leur tension maximale avant d'autres pendant la charge, la charge complète de la batterie s'arrêtera avant que toutes les cellules ne soient complètement chargées, ce qui entraînera une capacité effective réduite de la batterie.
- Dommages permanents : Si certaines cellules sont déchargées en dessous de leur tension minimale pendant la décharge, elles peuvent subir des dommages permanents, tels que la formation de dendrites ou une perte de capacité, ce qui peut réduire la durée de vie de la batterie et affecter les performances à long terme.
- Instabilité opérationnelle : un déséquilibre des cellules peut entraîner un fonctionnement instable de la batterie, ce qui pourrait entraîner une répartition inégale du courant pendant la charge et la décharge, une augmentation de la température et un risque de panne ou des situations dangereuses, telles qu'une surchauffe ou une inflammation.
Pour résoudre ces problèmes, le système de gestion de batterie (BMS) surveille et contrôle activement l'état de charge et de décharge de chaque cellule individuelle, équilibrant les cellules pour garantir des performances optimales et sûres de la batterie dans son ensemble. Cela implique de redistribuer la charge entre les cellules pendant la charge et la décharge afin de les maintenir toutes dans des plages de tension et de capacité sûres et uniformes.
Qu'est-ce que le BMS d'une batterie et à quoi sert-il ?
Un système de gestion de batterie (BMS) est un composant crucial des batteries lithium-ion et est utilisé pour surveiller et contrôler divers aspects de leur fonctionnement. Certaines des principales fonctions d'un BMS dans ce type de batteries sont :
Protection contre les surcharges : le BMS surveille la tension de chaque cellule de la batterie et empêche la batterie d'être chargée au-dessus de sa tension maximale de sécurité. Ceci est essentiel pour éviter d’endommager les cellules et garantir la sécurité pendant la charge.
Protection contre les décharges excessives : le BMS surveille également la tension des cellules pendant la décharge et empêche la batterie de se décharger en dessous d'un niveau sûr. Décharger une batterie lithium-ion en dessous d'un certain niveau peut endommager définitivement les cellules et réduire leur durée de vie.
Équilibrage des cellules : des différences de capacité ou d'état de charge entre les cellules individuelles peuvent survenir en raison de variations de fabrication ou de conditions d'utilisation inégales. Le BMS contrôle la charge et la décharge de chaque cellule pour maintenir toutes les cellules équilibrées en termes de tension et de capacité.
Surveillance de la température : les batteries lithium-ion peuvent devenir instables et dangereuses si elles deviennent trop chaudes pendant la charge ou la décharge. Le BMS surveille la température de la batterie et, si une augmentation anormale de la température est détectée, il peut prendre des mesures pour réduire le courant ou interrompre la charge pour éviter tout dommage.
Protection contre les courts-circuits et les surintensités : le BMS peut détecter des conditions de court-circuit ou des courants anormalement élevés et déconnecter la batterie pour éviter tout dommage ou risque de sécurité.
En résumé, le BMS est essentiel pour garantir des performances sûres et efficaces des batteries lithium-ion en surveillant et en contrôlant des facteurs tels que la charge, la décharge, l'équilibre des cellules et la température.
Quels types de BMS existent pour les batteries lithium-ion ?
Il existe plusieurs types de systèmes de gestion de batterie (BMS) pour les batteries lithium-ion, et le choix du type de BMS dépend de plusieurs facteurs, tels que la taille et la complexité du système de batterie, les besoins de surveillance et de contrôle et le niveau d'intégration souhaité. . Certains des types courants de BMS comprennent :
- BMS intégré à la batterie : Dans cette conception, le BMS est intégré directement dans la batterie et est responsable de la surveillance et du contrôle de l'état de chaque cellule individuelle. Ce type de BMS est courant dans les batteries lithium-ion à plus petite échelle, telles que celles utilisées dans les appareils électroniques portables. C’est le type de BMS que l’on retrouve généralement dans cette section de notre site Internet.
- BMS autonome : dans cette approche, le BMS est une unité distincte qui se connecte à la batterie et est responsable de la surveillance et du contrôle de la santé de la batterie dans son ensemble. Ce type de BMS est utilisé dans les systèmes de batteries à plus grande échelle, tels que ceux utilisés dans les véhicules électriques ou les systèmes de stockage d'énergie stationnaires.
- BMS distribué : dans cette conception, chaque module de batterie possède son propre BMS qui surveille et contrôle l'état de ce module spécifique. Ces BMS peuvent communiquer entre eux pour coordonner les opérations et partager des informations sur la santé de la batterie dans son ensemble.
Comment les batteries lithium-ion sont-elles connectées pour fabriquer des packs de batteries ?
Lorsqu’il s’agit de connecter des batteries lithium-ion pour former des packs de batteries, il existe plusieurs approches courantes :
- Configuration en série : Dans cette configuration, les cellules individuelles sont connectées en série, ce qui signifie que la borne positive d'une cellule se connecte à la borne négative de la cellule suivante. Cela augmente la tension totale du pack tout en gardant la capacité de la batterie égale à celle d'une seule cellule.
- Configuration parallèle : Dans cette configuration, les cellules individuelles sont connectées en parallèle, ce qui signifie que les bornes positives de toutes les cellules sont connectées les unes aux autres, tout comme les bornes négatives. Cela augmente la capacité totale du pack tout en maintenant la tension égale à celle d'une seule cellule.
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Lorsque vous connectez deux batteries lithium-ion en parallèle, elles ne sont pas forcément équilibrées entre elles en termes de tension et de capacité. La connexion parallèle signifie simplement que les bornes positives des deux batteries sont connectées entre elles, tout comme les bornes négatives. Cela augmente la capacité totale du système de batterie tout en maintenant la même tension.
Cependant, l’équilibre entre les batteries individuelles dans un système parallèle n’est pas automatiquement garanti. Les différences de capacité et d'état de charge entre les batteries individuelles, ainsi que leur vieillissement différent, peuvent entraîner un déséquilibre de charge et de décharge, ce qui peut entraîner une répartition inégale du courant et affecter les performances globales du système.
- Combinaison série et parallèle : Il s'agit d'une combinaison de configurations série et parallèle, dans laquelle des groupes de cellules sont connectés en série, puis ces groupes sont connectés en parallèle les uns avec les autres. Cette approche est utilisée pour augmenter à la fois la tension et la capacité totale du pack.
Dans toute configuration, il est important de prendre en compte la nécessité d'un bon équilibre entre les cellules pour éviter les déséquilibres de tension et de capacité, qui peuvent être gérés par le BMS correspondant.
Il existe une nomenclature standard pour identifier l'assemblage de cellules individuelles pour former des packs de batteries plus grands en utilisant la lettre S et la lettre P. La lettre S est utilisée pour déterminer la connexion en série, tandis que la lettre P indique une connexion en série et en parallèle.
- 2S Li-Ion : Cela signifie qu’il y a deux cellules individuelles connectées en série. Ce format augmente la tension totale de la batterie, en gardant la même capacité.
- 3S Li-Ion : Indique qu'il y a trois cellules individuelles connectées en série. Cela augmente la tension totale de la batterie jusqu'à environ trois fois la tension d'une seule cellule, tout en conservant la même capacité.
- 4S Li-Ion : Cela signifie qu’il y a quatre cellules individuelles connectées en série. Cela augmente la tension totale de la batterie à environ quatre fois la tension d'une seule cellule, tout en conservant la même capacité.
- 5S Li-Ion : Cela signifie qu’il y a cinq cellules individuelles connectées en série. Cela augmente la tension totale de la batterie à environ cinq fois la tension d'une seule cellule, tout en conservant la même capacité.
- Et ainsi de suite : La lettre « S » suivie d'un chiffre indique le nombre de cellules connectées en série dans le pack batterie. Plus il y a de cellules connectées en série, plus la tension totale de la batterie est élevée.
Ces notations sont importantes pour comprendre rapidement la tension nominale du bloc-batterie et sont largement utilisées dans l'industrie pour décrire les spécifications des batteries lithium-ion et leurs applications.
Exemple : batterie lithium-ion 4S2P
La notation « 4S2P » fait référence à la configuration d'une batterie lithium-ion où les cellules individuelles sont connectées en série (S) et en parallèle (P).
« 4S » indique qu'il y a quatre cellules individuelles connectées en série. Lorsque les cellules sont connectées en série, la tension totale de la batterie est la somme des tensions de chaque cellule. Par conséquent, si chaque cellule individuelle a une tension nominale d'environ 3,7 volts, alors une batterie « 4S » aurait une tension nominale totale d'environ 14,8 volts (3,7 V/cellule * 4 cellules).
« 2P » indique qu'il existe deux groupes de cellules connectés en parallèle. Chaque groupe de cellules en parallèle offre la même capacité qu'une seule cellule. Ceci est fait pour augmenter la capacité totale de la batterie tout en maintenant la même tension.
Bref, dans une configuration « 4S2P », vous disposez de quatre cellules lithium-ion connectées en série, fournissant une tension totale d'environ 14,8 volts, et deux de ces groupes de cellules sont connectés en parallèle pour augmenter la capacité du pack. batteries.
Pour fabriquer les différents packs de batteries, on utilise une feuille de nickel qui est soudée à l'aide d'une station de soudage par points.
