Pourquoi le BMS est indispensable | Batterie au lithium

Pourquoi le BMS est indispensable | Batterie au lithium

Vue d'ensemble

Les piles au lithium et au phosphate de fer offrent beaucoup de puissance et de valeur dans un petit emballage. La chimie de ces batteries est en grande partie responsable de leurs performances supérieures. Mais toutes les batteries lithium-ion commerciales réputées comportent également un autre élément important en plus des cellules de batterie elles-mêmes : un système de gestion électronique des batteries (BMS) soigneusement conçu. Un système de gestion de batterie bien conçu protège et surveille une batterie au lithium-ion pour optimiser ses performances, maximiser sa durée de vie et garantir un fonctionnement sûr dans un large éventail de conditions.

Chez NRJSOLAIRE, toutes nos batteries lithium-phosphate de fer comprennent un BMS interne ou externe. Voyons comment un BMS  protège et optimise le fonctionnement d'une batterie au lithium-phosphate de fer.

 

1. Surtension et sous-tension

Les piles au lithium-phosphate de fer fonctionnent en toute sécurité sur une gamme de tensions, généralement de 2,0 V à 4,2 V. Certaines compositions chimiques du lithium donnent des piles très sensibles aux surtensions, mais les piles LiFePO4 sont plus tolérantes. Néanmoins, une surtension importante pendant une période prolongée au cours de la charge peut provoquer un dépôt de lithium métallique sur l'anode de la batterie, ce qui dégrade les performances de manière permanente. De plus, le matériau de la cathode peut s'oxyder, devenir moins stable et produire du dioxyde de carbone, ce qui peut entraîner une augmentation de la pression dans la cellule. Tous les systèmes de gestion de batterie limitent chaque cellule et la batterie elle-même à une tension maximale. Le BMS de la batterie LiFePO4, par exemple, protège chaque cellule de la batterie et limite la tension de la batterie à 15,6 V.

La sous-tension pendant la décharge de la batterie est également préoccupante, car la décharge d'une cellule LiFePO4 en dessous d'environ 2,0 V peut entraîner une rupture des matériaux des électrodes. Les piles au lithium ont une tension de fonctionnement minimale recommandée. Dans le RELiON RB100, par exemple, la tension minimale recommandée est de 11V. Le BMS agit comme un dispositif de sécurité pour déconnecter la batterie du circuit si l'une des cellules tombe en dessous de 2,0V.

 

2. Protection contre les surintensités et les courts-circuits

Chaque batterie a un courant maximal spécifié pour un fonctionnement sûr. Si une charge est appliquée à la batterie qui consomme un courant plus élevé, cela peut entraîner une surchauffe de la batterie. Bien qu'il soit important d'utiliser la batterie de manière à maintenir l'appel de courant en dessous de la spécification maximale, le BMS agit à nouveau comme un dispositif de sécurité contre les surintensités et déconnecte la batterie du fonctionnement.

Là encore, en prenant notre batterie comme exemple, le courant de décharge continu maximum est spécifié à 100A, le courant de décharge de pointe est de 200A, et le BMS déconnecte la batterie du circuit si la charge consomme environ 280A.

Un court-circuit de la batterie est la forme la plus grave de surintensité. Il se produit le plus souvent lorsque les électrodes sont accidentellement reliées à un morceau de métal. Le BMS doit rapidement détecter une condition de court-circuit avant que l'appel de courant soudain et massif ne surchauffe la batterie et ne provoque des dommages catastrophiques. Dans lcette batterie, la batterie s'éteint dans les 200 à 600 microsecondes d'un court-circuit externe, puis reprend son fonctionnement normal si la condition de court-circuit est supprimée.

 

3. Surchauffe

Contrairement aux batteries au plomb ou à l'oxyde de cobalt et de lithium, les batteries au lithium et au phosphate de fer fonctionnent efficacement et en toute sécurité à des températures allant jusqu'à 60 °C ou plus. Mais à des températures de fonctionnement et de stockage plus élevées, comme pour toutes les batteries, les matériaux des électrodes commencent à se dégrader. Le BMS d'une batterie au lithium utilise des thermistances intégrées pour surveiller activement la température pendant le fonctionnement, et il déconnecte la batterie du circuit à une température donnée. Dans notre exemple  le BMS déconnecte la batterie à 80oC (176oF) et la reconnecte à 50oC (122oF).

 

4. Déséquilibre des cellules

Les batteries lithium-ion se distinguent des batteries plomb-acide par une différence majeure, à savoir l'équilibrage de la tension dans chaque cellule individuelle pendant la charge. En raison de petites différences dans les conditions de fabrication ou de fonctionnement, chaque cellule d'une batterie se charge à un rythme légèrement différent. Dans une batterie plomb-acide, si une cellule se charge plus rapidement et atteint sa pleine tension, le courant de fin de charge typique, ainsi que l'excès de retour de charge, assureront la charge complète des autres cellules. Dans un sens, les cellules d'une batterie au plomb s'égalisent d'elles-mêmes pendant la charge.

Ce n'est pas le cas des batteries au lithium-ion. Lorsqu'une cellule lithium-ion est complètement chargée, sa tension commence à augmenter davantage, ce qui peut endommager les électrodes. Si la charge de l'ensemble de la batterie est arrêtée alors qu'une seule cellule est complètement chargée, les autres cellules n'atteignent pas leur pleine charge et la batterie fonctionne en dessous de sa capacité maximale. Un BMS bien conçu garantira que chaque cellule se charge en toute sécurité et complètement avant que le processus de charge complet ne soit terminé.

Résumé

Les piles au lithium et au phosphate de fer sont composées de plus que de simples cellules individuelles reliées entre elles. Elles comprennent souvent un système de gestion de la batterie (BMS) qui, bien qu'il ne soit généralement pas visible pour l'utilisateur final, veille à ce que chaque cellule de la batterie reste dans des limites de sécurité. Toutes nos batteries lithium-phosphate  comprennent un BMS interne ou externe pour protéger, contrôler et surveiller la batterie afin de garantir la sécurité et une durée de vie maximale dans toutes les conditions de fonctionnement.

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