Atténuer les défaillances du système de gestion de batterie : prévenir l'emballement thermique des batteries Li-ion

Comprendre l'emballement thermique dans les batteries Li-ion et comment les BMS les protègent

Les batteries Li-ion sont considérées comme sûres lorsqu'elles sont utilisées dans des paramètres bien contrôlés. Pourtant, aucun système de gestion de batterie (BMS) ni processus de fabrication n'est parfait. En concevant des BMS plus robustes, nous pouvons contrer la physique inhérente à la technologie Li-ion et améliorer la sécurité pour les applications critiques.

Cet article s'appuie sur notre introduction précédente aux BMS, en approfondissant les modes de défaillance potentiels et les stratégies pour les atténuer. Nous apercevons aussi les composants BMS émergents qui soutiendront la prochaine génération de technologie de batterie.

Emballement thermique dans les systèmes de gestion de batterie

L'emballement thermique est un mode de défaillance bien connu dans les systèmes de puissance et est étroitement lié aux risques d'incendie. Dans une défaillance de BMS, il peut être déclenché par des pannes matérielles ou des bogues logiciels. Par exemple, si une commande d'arrêt dans l'équilibreur de cellules est oubliée, une cellule peut continuer à se décharger au-delà de ses limites sûres. Même si le système détecte l'anomalie et fait fondre un fusible, la cellule peut encore être sur-déchargée, entraînant une dégradation du séparateur et la formation d'un court-circuit interne lors des tentatives de recharge ultérieures.

Figure 1. Formation de courts-circuits internes en cuivre dus à la sur-décharge. Image fournie par Xuning Feng

Un tel court-circuit peut initialement présenter une résistance élevée qui maintient la tension externe au-dessus du niveau nominal tout en tirant un courant d'auto-décharge énorme — souvent invisible aux capteurs de courant ou moniteurs de tension externes. La chaleur interne résultante élève la température de la cellule au-dessus de 60 °C, provoquant son éclatement et son inflammation. La chaleur se propage alors aux cellules adjacentes, déclenchant une réaction en chaîne pouvant mener à une défaillance catastrophique.

Figure 2. Pack batterie haute énergie calciné d'une Chevrolet Volt 2011. Image du rapport Chevrolet Volt Battery Incident Overview Report

Atténuation des défaillances

Une solution robuste aux bogues imprévus est l'inclusion d'un watchdog externe qui surveille le microcontrôleur (MCU) pour les erreurs fatales, comme illustré à la Figure 3.

Figure 3. Diagramme de blocs typique d'un BMS avec implémentation watchdog MCU

Si le MCU est opérationnel mais qu'une commande est inadvertamment omise, le moniteur de cellules peut imposer un mécanisme watchdog, montré à la Figure 4.

Figure 4. Diagramme de blocs BMS avec implémentation watchdog complète

Dans de rares cas — comme le latch-up causé par des interférences électromagnétiques (EMI) ou des radiations — un watchdog conçu pour effectuer un cycle complet d'alimentation plutôt qu'une simple réinitialisation logique peut sauver la mise. Cette architecture est moins courante mais fournit une couche de protection supplémentaire.

Solutions supplémentaires pour atténuer les défaillances BMS

Alors que les densités d'énergie augmentent et que les demandes de puissance s'accroissent, la marge de tolérance pour les cellules de batterie se réduit. Par conséquent, une estimation encore plus précise de l'état de charge est requise, l'impédance de la cellule jouant un rôle clé.

La mesure directe d'impédance en temps réel est très précieuse. Panasonic, par exemple, a été pionnier d'une technique de stimulation AC localisée qui surveille l'impédance électrochimique sans besoin de référence de tension à vide ni de calibration extensive. D'autres méthodes existent, mais elles requièrent souvent des configurations plus complexes.

La FRAM (mémoire ferroélectrique) est une autre technologie prometteuse. Comme la FRAM conserve les données après un cycle d'alimentation, elle peut stocker en toute sécurité le dernier échantillon valide du compteur de coulombs, réduisant le risque de perte de données lors de réinitialisations soudaines.

En fin de compte, la chimie de la cellule elle-même détermine les marges de sécurité. Au-delà du Li-ion, des chimies comme Li-S, Li-FeS₂ et les variantes à état solide sont explorées pour améliorer davantage la sécurité et les performances.

Si vous souhaitez approfondir la conception de systèmes de batterie ou avez des questions spécifiques, n'hésitez pas à laisser un commentaire ci-dessous.