Introduction aux batteries de puissance — De la chimie des cellules au stockage à l’échelle du réseau et au système de gestion de batterie (BMS)

L'énergie solaire est excédentaire en milieu de journée et insuffisante en soirée. La production éolienne peut varier en intensité ou en faiblesse par rapport aux prévisions. Les batteries de stockage d'énergie comblent ces variations, gérant la régulation de fréquence à la seconde près et le lissage des pics de consommation à l'heure près. Cependant, une batterie ne produit pas de carburant : elle ne peut restituer qu'une fraction de l'énergie utilisée pour sa charge. En génie énergétique, il est donc essentiel d'évaluer simultanément la capacité (kWh), la puissance (kW), le temps de réponse, la durée de vie, la sécurité thermique et l'interconnexion au réseau.

Cellules 18650 / 21700

Carte de contrôle BMS

Images : 18650 et cellule de batterie lithium-ion 21700 (Sevenethics, CC0) / Asus Contrôleur de batterie Zenbook UX31E (Raimond Spekking, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons. Photos représentatives de cellules et de BMS, non issues d'un rack de stockage stationnaire.

L'essentiel en 30 secondes

• Le nombre de cellules en série détermine la tension ; le nombre de cellules en parallèle détermine la capacité et le courant maximal. L'énergie nominale peut être estimée par la formule E=N_sN_pV_{cell}Q_{cell}.

• Les batteries lithium-ion offrent un rendement aller-retour et une densité énergétique élevés, mais leur durée de vie varie en fonction de la température, du courant de charge et de l'état de charge (SOC). Les technologies LFP, NMC, sodium-ion et autres présentent chacune leurs propres avantages selon l'application.

• Le BMS surveille la tension, le courant, la température et l'isolation des cellules, et estime le SOC (charge restante), le SOH (degré de dégradation) et le SOP (puissance disponible). Il ne faut pas confondre les seuils de protection avec les valeurs estimées.

• Pour les applications réseau, la régulation de fréquence à court terme, le lissage de la production d'énergie renouvelable, le décalage d'énergie à l'échelle horaire et le redémarrage après une panne de courant sont des fonctions conçues séparément. Comparez non seulement le prix de la batterie elle-même, mais aussi le LCOS (coût actualisé du stockage), qui inclut le rack, le système de contrôle de puissance (PCS), le transformateur, le système d'extinction d'incendie, les cellules de remplacement et le recyclage.

1. De la cellule au rack

La force électromotrice d'une cellule est déterminée par la différence de potentiel entre ses électrodes positive et négative. Connecter des cellules N_s en série augmente la tension ; connecter des cellules N_p en parallèle augmente la capacité et le courant admissible. L'énergie idéale est :

Par exemple, l'assemblage de 100 cellules LFP de 3,2 V et 100 Ah en série et 10 en parallèle fournit une énergie nominale d'environ 32 kWh. La capacité réellement utilisable est estimée en tenant compte des limites supérieures et inférieures de l'état de charge (SOC), de la température, de la dégradation et du rendement du système de commutation (PCS).

Figure 1 — Une batterie augmente simplement en ajoutant des cellules, mais elle ne devient un équipement d'alimentation que lorsqu'on y inclut la tension Surveillance, gestion thermique, contacteurs, extinction d'incendie, PCS et transformateur.

2. Choix de la chimie

Le matériau de l'électrode positive influe fortement sur la densité énergétique, la durée de vie, le coût et la sécurité. Le NMC (nickel-manganèse-cobalt) offre généralement une densité énergétique élevée, un atout pour les véhicules et autres applications à volume limité, mais sa stabilité thermique et le coût des ressources sont des points à prendre en compte. Le LFP (phosphate de fer lithié) présente un désavantage en termes de densité énergétique, mais ses points forts sont la stabilité thermique, la durée de vie et une chaîne d'approvisionnement ne nécessitant pas de cobalt. La technologie sodium-ion est prometteuse grâce à ses caractéristiques à basse température et à la disponibilité des ressources, mais sa densité énergétique par unité de volume reste inférieure à celle des technologies lithium.

Le graphite demeure le matériau dominant pour l'électrode négative, et des recherches sont en cours sur l'incorporation de silicium pour augmenter la capacité. Cependant, le silicium subit d'importantes variations de volume lors des cycles de charge/décharge, et la fracture des particules ainsi que la perte de capacité irréversible initiale constituent des défis. Les batteries à l'état solide, qui utilisent un électrolyte solide, peuvent potentiellement réduire les fuites et l'inflammabilité. Cependant, la résistance interfaciale, la nécessité d'appliquer une pression, le rendement de fabrication et la conductivité ionique à basse température constituent toujours des obstacles à leur utilisation pratique.

3. Le BMS n'est pas un indicateur de niveau de carburant

Un BMS (système de gestion de batterie) mesure la tension, la température et le courant de chaque cellule et calcule la plage de charge et de décharge autorisée. L'état de charge (SOC) peut être suivi par comptage de Coulomb,

mais le décalage du capteur de courant s'accumule avec le temps. La dérive est corrigée par comparaison avec la tension en circuit ouvert (OCV), un filtre de Kalman étendu ou un modèle de circuit équivalent. L'état de santé (SOH) est estimé en suivant séparément la perte de capacité et l'augmentation de la résistance interne, et l'état de puissance (SOP) calcule la « puissance maximale disponible instantanément » à partir de la température, du SOC et de la résistance.

Lorsque la variation entre les cellules est importante, la cellule la plus faible atteint sa limite supérieure ou inférieure en premier, ce qui provoque l'arrêt complet du pack. L'équilibrage passif, qui dissipe l'énergie via une résistance, est simple mais la dissipe sous forme de chaleur ; l'équilibrage actif, qui transfère l'énergie via des condensateurs ou des inductances, est plus efficace mais complexifie le circuit. Dans les grands racks, les circuits intégrés de surveillance des cellules, la communication isolée, les contacteurs, les résistances de précharge et les fusibles sont tous intégrés avec redondance.

4. Conception thermique et sécurité

La génération de chaleur peut être approximativement exprimée comme suit :

Le premier terme représente l'échauffement par effet Joule ; le second, le terme entropique de la réaction. Des taux de charge/décharge élevés, une charge à basse température et les courts-circuits internes au sein d'une cellule augmentent tous la génération de chaleur localisée. Un écart de température important entraîne également une divergence des taux de dégradation, concentrant davantage le courant sur les cellules les plus faibles.

L'emballement thermique est le phénomène où la production de chaleur dépasse le refroidissement, entraînant la décomposition de l'électrolyte, la production de gaz et la propagation de la chaleur aux cellules voisines, formant ainsi une réaction en chaîne. Ce phénomène est prévenu par une combinaison de capteurs de température, de fusibles, d'évents, d'espacement des racks, de détection de fumée/gaz, d'extinction par pulvérisation d'eau ou par gaz inerte, d'extraction et d'un plan d'évacuation. La réussite d'un test normalisé ne garantit pas la sécurité si le système de ventilation et d'extinction d'incendie du site d'installation est inadéquat.

5. Adaptation des cas d'utilisation au réseau

La régulation de fréquence nécessite une puissance élevée sur une courte durée ; le lissage des pics de consommation requiert une grande capacité sur une longue durée – les valeurs requises en kW et kWh diffèrent. Augmenter la capacité de la batterie ne résout pas tous les problèmes ; la durée de vie et les contraintes de capacité d’interconnexion au réseau sont souvent prioritaires. Le fait que le PCS suive le réseau ou qu’il en forme détermine également sa capacité à fonctionner de manière autonome comme source de tension en cas de panne.

6. V2G et Seconde Vie

Le V2G (Vehicle-to-Grid), qui consiste à mutualiser les véhicules électriques et à réinjecter leur énergie dans le réseau, repose sur l’utilisation de batteries distribuées comme source d’énergie pour la régulation. Cela nécessite d'optimiser simultanément les heures de départ des utilisateurs, l'état de charge, la capacité du réseau de distribution et le coût de dégradation des batteries, tout en soulevant des questions de latence de communication et de confidentialité. Le VPP (Virtual Power Central), qui mutualise les batteries domestiques et les chauffe-eau, repose sur le même principe.

La seconde vie, qui consiste à réutiliser les batteries en fin de vie dans un véhicule pour un usage stationnaire, offre la possibilité de mieux valoriser le carbone émis lors de leur fabrication. En revanche, lorsque l'historique d'une cellule est inconnu, la variation de son état de santé (SOH) est importante et le coût des réinspections, du démontage et de la prise en charge de la garantie augmente. Plutôt que de se contenter d'une simple comparaison de prix avec une cellule neuve, la décision devrait prendre en compte la marge d'erreur dans l'estimation de la capacité restante et le coût du contrôle de sécurité.

7. Analyse des recherches actuelles

• Charge rapide et performances à basse température : recherches sur les électrolytes qui limitent le dépôt de lithium, le contrôle de la température et la structure de l'électrode négative. Il convient d'évaluer le compromis avec la durée de vie des cycles, et pas seulement avec le temps de charge. - Sodium-ion : vise à réduire les contraintes de ressources et les coûts pour les applications stationnaires. Vérifier que la tension et la densité énergétique de la cellule conviennent à l’usage prévu.

• Batteries à l’état solide : promettent ininflammables et haute densité énergétique, mais l’interface solide, la pression appliquée et le rendement de fabrication restent des obstacles majeurs.

• Jumeaux numériques pour la dégradation : relier l’historique de fonctionnement, la température, l’impédance et l’analyse de démontage pour estimer la durée de vie restante sous forme de distribution de probabilité.

• Recyclage : comparer les procédés de recyclage par voie humide, par voie sèche et par régénération directe en termes de taux de récupération, de pureté, de consommation d’énergie et de logistique. La rentabilité évolue avec la baisse des prix des matériaux.

Le chiffre « amélioration de capacité de X % » d’un article de recherche peut varier selon la surface des électrodes, le taux de charge/décharge, la température et la fin de vie en cycles. Le passage à une infrastructure commerciale nécessite, outre les performances d’une seule cellule, des tests de propagation thermique au niveau du module, la compatibilité du contrôle avec le système de contrôle de puissance (PCS) et un plan de sécurité incendie, d’assurance et de mise au rebut.

Résumé

Une batterie de puissance est un système combinant une cellule chimique, un système de gestion de batterie (BMS), un système de gestion thermique, un système de contrôle de puissance (PCS), un transformateur, un système de communication et un système d'extinction d'incendie. Plutôt que de comparer uniquement les kWh, il est essentiel de vérifier la durée de vie requise, la puissance de crête (kW), le rendement aller-retour, la durée de vie et l'isolation en cas de panne afin de déterminer la chimie et la configuration réellement adaptées à l'application.

Références

• Agence internationale de l'énergie (AIE) — Batteries et transitions énergétiques sûres

• [États-Unis Ministère de l'Énergie — Grand défi du stockage de l'énergie

• NREL — Stockage de l'énergie

• CEI 62619 — Piles et batteries lithium-ion secondaires industrielles

• Association japonaise des batteries