Introduction : L'histoire de la batterie lithium-ion
La dépendance croissante à l’égard des transports électriques, des appareils sans fil et de l’électronique dans le monde entier a provoqué une augmentation de la demande pour le développement de batteries lithium-ion. Les véhicules électriques, qui utilisent des batteries électrochimiques, ont augmenté en raison à la fois d’une popularité croissante et d’un changement culturel visant à réduire les émissions de carbone. En 2018, selon le Global Carbon Project, les émissions de CO2 provenant des transports ont atteint un niveau record de 37,15 milliards de tonnes (Global Carbon Budget, 2019).
Avec l’augmentation du prix des combustibles fossiles et des subventions gouvernementales, l’écart de prix entre les moteurs à combustion traditionnels et les moteurs électriques est réduit.
La figure 1 montre l’augmentation de l’utilisation des batteries lithium-ion qui coïncide avec une utilisation accrue par les consommateurs, montrant une évolution positive dans le secteur des véhicules électriques (Yoshino, 2012) et donc un besoin accru de batteries.
Figure 1 Expansion de la demande de batteries lithium-ion, GWh – Gigawattheures (Deng, 2015)
Une batterie complète est composée d'un nombre de cellules avec des spécifications de basse tension et de puissance fixées dans un format parallèle. La composition chimique différente des cellules de batterie détermine la compatibilité pour une application spécifique, c'est-à-dire domestique ou industrielle, stationnaire ou portable, haute puissance ou haute tension. Malgré la polyvalence électrochimique, la modélisation des batteries affecte de nombreux paramètres tels que la durée de vie, le cycle de vie, l'efficacité, la puissance et l'énergie spécifiques, ainsi que la sécurité et le coût. Dans l’ensemble, la modélisation et les tests des batteries s’adaptent aux exigences particulières de l’application.
Fabrication du bloc batterie
Les cellules de batterie ont une capacité de courant, de tension et de puissance spécifique. Pour faire fonctionner des applications automobiles, informatiques ou aéronautiques, ils nécessitent une tension et un courant élevés. Pour une capacité de puissance haute tension et ampères, de nombreuses cellules doivent être connectées en série ou en parallèle pour répondre aux exigences correctes (Ko et al., 2019).
Sélection de cellule
La capacité et le poids de la cellule de batterie diffèrent selon sa construction et son type. La première étape de la conception du bloc-batterie consiste à sélectionner la cellule de batterie appropriée qui doit répondre aux critères de l'application, comme indiqué dans le tableau 1 (Rajasekhar & Gorre, 2016) (Amp & Cells, 2014). Les propriétés chimiques affectent la tension et la capacité en ampères-heures (Ah) de la cellule de la batterie. En raison des avantages de la batterie lithium-ion, elle est utilisée pour la formation du pack batterie.
Tableau 1 Avantages et inconvénients des cellules cylindriques et prismatiques
| Type de cellule | Avantages | Les inconvénients |
| Cellule cylindrique | Taille standardisée | Nécessite plus d'espace |
| Construction facile, faible coût | Problème de tolérance | |
|
Peut gérer des niveaux internes élevés pression |
Devient difficile à augmenter capacité |
|
| Cellule prismatique | Fin et léger | Plus cher |
| Plus stable | Construction compliquée | |
| Efficacité volumétrique élevée | Problème de gonflement |
Configuration des cellules
La deuxième étape consiste à déterminer le nombre de cellules dans la configuration série ou parallèle de la cellule de batterie. La configuration de la batterie est basée sur la tension et le courant nominal de chaque cellule. Pour rendre la batterie compacte, la configuration série et parallèle peut être optimisée (Maiser, 2014). Une configuration en série se compose de batteries connectées par le positif d’une cellule au négatif de la cellule suivante. Comme le montre la figure 2, une connexion en configuration série ajoute la capacité de tension de chaque cellule pour fournir la tension totale aux bornes.
Dans les configurations parallèles, le positif et le négatif de chaque cellule sont connectés comme indiqué sur la figure 3. Cela ajoute plus de capacité Ah à chaque cellule.
Design structurel
Interconnexion électrique
Bande de nickel
| Taille | Optimal | Acceptable | Pauvre |
|---|---|---|---|
|
0,1 mm × 5 mm
|
< 2,1 A
|
~3,0 A
|
> 4,2 A
|
|
0,1 mm x 7 mm
|
< 3,0 A
|
~4,5 A
|
> 6,0 A
|
|
0,15 mm x 7 mm
|
< 4,7 A
|
~ 7,0 A
|
> 9,4 A
|
|
0,2 mm x 7 mm
|
< 6,4 A
|
~ 9,6 A
|
>12,8 A
|
|
0,3 mm x 7 mm
|
< 10,0 A
|
~ 15,0 A
|
> 20,0 A
|
Tableau 2 Niveaux de courant acceptables pour les bandes de nickel pur (Mike, 2017)
La division du courant maximum de la batterie par la capacité de charge actuelle de la bande de nickel donne le nombre de pièces nécessaires. Par exemple, si deux groupes parallèles avec quatre cellules dans chaque configuration sont utilisés pour créer un courant de batterie total de 20 A à l'aide d'une bande de nickel de 0,15 mm × 8 mm (capacité variable de courant de 5 A), alors cela nécessite 20 A/5 A = 4 bandes pour transporter le cadeau (Figure 4). De même, si le courant de la batterie est de 40 A, huit bandes de nickel sont nécessaires car deux pièces sont nécessaires pour une seule connexion. La meilleure conception de batterie est de respecter les critères de capacité de courant optimale du nickel. Si la dimension de la bande de nickel est choisie dans une mauvaise position de courant, elle pourrait commencer à surchauffer et endommager la capacité thermique de la batterie.
Soudeur par points
Structure mécanique
I. Épaisseur et expansion de la cellule
II. Isolation
III. Ventilation de la cellule
IV. Protection physique de la cellule
Gestion de la chaleur
Système de gestion de batterie (BMS)
- Surveillance des cellules (tension, courant et température)
- Superviser le comportement de la batterie (état de charge, énergie, performances)
- Équilibrage cellulaire
- Limite de charge et de décharge de la batterie
- BMS est un vaste domaine à découvrir. Il se présente sous la forme d'un circuit intégré avec la programmation et les capteurs nécessaires. Le principal avantage du BMS est qu'il est programmable et que la limite des fonctions est gérable selon les besoins et l'application.
- Ingénierie Nuvation (États-Unis)
- Technologie Valence, (États-Unis)
- Société de technologie linéaire (États-Unis)
- Eberspaecher Vecture (CANADA)
- Nuvation Energy (États-Unis)
- ON Semiconducteur (États-Unis)
- JTT Électronique (CANADA)
Les références:
Amp, M. et Cells, HN (2014). Guide de conception, de validation et d'assemblage de batteries à l'aide des systèmes A123. 1 à 71.
Deng, D. (2015). Batteries Li-ion : bases, progrès et défis. Science et ingénierie énergétiques, 3(5), 385-418. https://doi.org/10.1002/ese3.95
Budget carbone mondial. (2019). Pas de titre. https://www.globalcarbonproject.org/carbonbudget/
AIE. (2019). Perspectives mondiales des véhicules électriques 2019. Dans AIE. https://www.iea.org/reports/global-ev-outlook-2019 Jossen, A., Späth, V., Döring, H. et Garche, J. (1999). Fonctionnement fiable de la batterie - un défi pour le système de gestion de la batterie. Journal des sources d'énergie, 84(2), 283-286. https://doi.org/10.1016/S0378-7753(99)00329-8
Lewchalermwong, N., Masomtob, M., Lailuck, V. et Charoenphonphanich, C. (2018). Sélection des matériaux et méthode d'assemblage d'un bloc de batterie pour véhicule électrique compact. Série de conférences IOP : Science et ingénierie des matériaux, 297(1). https://doi.org/10.1088/1757-899X/297/1/012019
Maiser, E. (2014). Emballage de batterie - Revue technologique. Actes de la conférence AIP, 1597 (février), 204-218. https://doi.org/10.1063/1.4878489
Mike. (2017). Quelle quantité et quelle taille de bandes de nickel devriez-vous utiliser.
Rajasekhar, MV et Gorre, P. (2016). Conception de batteries haute tension pour véhicules électriques hybrides. Conférence internationale sur l'électrification des transports de l'IEEE 2015, ITEC-Inde 2015, 1–7.https://doi.org/10.1109/ITEC-India.2015.7386876
Rothgang, S., Nordmann, H., Schaper, C. et Sauer, DU (2012). Défis liés à la conception des batteries.
Mise à jour de l'industrie Thomas. (sd). Principaux fournisseurs et fabricants de batteries aux États-Unis et dans le monde. https://www.thomasnet.com/articles/top-suppliers/battery-manufacturers-suppliers/
Université, B. (2019). Configurations de batterie en série et en parallèle.
Weicker, P. (2014). Une approche systémique de la gestion des batteries lithium-ion. Maison Artech. Conseil mondial de l'énergie. (2019). Moniteur de stockage d'énergie : dernières tendances en matière de stockage d'énergie. www.worldenergy.org
Yoshino, A. (2012). La naissance de la batterie lithium-ion. Angewandte Chemie - Édition internationale, 51(24), 5798-5800. https://doi.org/10.1002/anie.201105006
