La résistance est souvent une variable négligée dans le suivi des performances des batteries, car elle n'est pas directement mesurée par le BMS. C'est dommage, étant donné qu'elle influence discrètement mais de manière critique les performances et la sécurité des actifs à court et à long terme. Un suivi approprié de l'évolution de la résistance peut donc débloquer des opportunités pour stimuler à la fois l'efficacité et la longévité des actifs.
Que signifie exactement le terme "résistance" pour les batteries ? Comment fonctionne-t-elle et quel est son impact sur la performance des actifs ? Comment devrait-elle influencer la stratégie de gestion des actifs ? Découvrons-le !
La résistance interne des batteries : une force d'arrêt aux multiples visages
La résistance interne d'une batterie est l'opposition inhérente au flux de charge électrique.
- Une certaine proportion correspond à la résistance du flux de courant électrique à travers des matériaux conducteurs internes ou externes (appelée "résistance ohmique").
- Une autre composante de cette résistance interne, dynamique comme nous l'expliquerons plus loin, est appelée "résistance de polarisation" : elle correspond à la difficulté rencontrée par les ions pour se déplacer dans l'électrolyte et traverser les couches actives de l'électrode, tout comme l'effort qu'il faut déployer pour nager dans l'eau.
L'existence même de cette résistance interne persistante est la source de deux limitations principales lorsqu'elle est appliquée au stockage de l'énergie dans la vie réelle (comme les BESS) :
- Au niveau de la cellule, une partie de l'énergie est inévitablement perdue pendant la charge et la décharge(voir figure 1), ce qui correspond à l'"effort" de diffusion des ions lithium dans l'électrolyte et d'insertion dans les couches de matériau de l'électrode mentionnées ci-dessus.
- Au niveau du module, cette résistance joue un rôle encore plus trompeur. Elle peut interrompre prématurément les cycles de charge, ce qui est souvent dû à une mauvaise interprétation des signaux de tension par le BMS. En effet, rappelons que Tension (U) = Résistance (R) x Courant (I) + OCV, ce qui signifie que la tension maximale peut être atteinte plus tôt que prévu en raison de la résistance. Cela trompe le BMS en lui faisant croire que la batterie est complètement chargée alors qu'en réalité, elle aurait pu stocker plus d'énergie.
Figure 1 : tension en fonction de la capacité
Lorsqu'une résistance élevée est synonyme de performances moindres
Sur le terrain, une résistance élevée a plusieurs conséquences sur les performances de la batterie , notamment sur l'efficacité énergétique globale du système.
Impact sur les performances
D'une part, une résistance élevée entraîne une perte d'énergie sous forme de chaleur, ce qui signifie que la quantité d'énergie (Wh) renvoyée au réseau lors de la décharge est inférieure à celle qui a été initialement chargée, ce qui réduit l'autonomie des véhicules électriques et le potentiel de revenus des BESS. Ce phénomène se produit même à SOH identique ; à mesure que la résistance augmente, l'énergie réellement disponible diminue. Tout comme le suivi du SOH d'un BESS (pour la perte de capacité), la surveillance de l'augmentation des niveaux de résistance entraînant une perte d'énergie a un impact direct sur la quantité d'énergie disponible à fournir.
Le rendement énergétique d'une batterie Li-ion typique se situe entre 80 et 95 %*, un intervalle assez large qui se traduit par des différences de performances encore plus importantes si rien n'est fait.
D'autre part, une résistance élevée limite le courant maximal qui peut être tiré de la batterie, réduisant ainsi la puissance maximale disponible (W) pour des besoins de puissance importants et soudains (par exemple, une accélération dynamique d'un véhicule électrique).
Impact sur la sécurité
Au-delà de la performance, c'est la sécurité du bien qui peut être compromise par une résistance excessive.
Une résistance élevée est synonyme de chaleur supplémentaire, qui peut évoluer vers une surchauffe, une cause bien connue (et évidente) d'emballement thermique. Une résistance élevée peut également indiquer un risque de placage; l'augmentation de la résistance est souvent due à la croissance de la couche SEI (Solid Electrolyte Interface) qui rend également l'insertion dans l'électrode négative plus difficile, facilitant ainsi un placage ultérieur. Une fois de plus, le placage au lithium est un facteur de risque d'incident avéré.
*Recherche de résultats de tests de laboratoire
Dynamique de résistance : gérer les fluctuations à court terme et les altérations à long terme
Pour compliquer encore les choses, la résistance est sujette à des changements, dont les variations dépendent à la fois des conditions opérationnelles immédiates et des changements structurels sous-jacents.
Les fluctuations à court terme modifient momentanément la résistance d'une batterie :
- La résistance varie en fonction du SOC: la résistance est plus élevée que d'habitude lorsque les électrodes sont complètement lithiées, c'est-à-dire à un SOC élevé et faible.
- La température joue également un rôle crucial ; dans des conditions plus froides, la mobilité des ions à travers l'électrolyte est entravée, ce qui provoque un pic temporaire de résistance qui se normalise à mesure que la température augmente.
Les changements structurels posent des défis plus durables. Le vieillissement de la batterie augmente progressivement la résistance au fur et à mesure que les composants internes de la batterie s'usent, entraînant une lente diminution des performances. Les défaillances des cellules, qu'elles soient dues à des variations de qualité initiales ou à des contraintes opérationnelles, aggravent encore les problèmes de résistance.
La résistance interne de chaque cellule étant sujette à des changements, il existe un risque que ces changements ne se produisent pas de manière homogène et que des déséquilibres apparaissent. Cette dispersion de la résistance peut alors conduire à un vieillissement inhomogène, voire à un risque de surtension ou de sous-tension.
Figure 2 : Augmentation de la résistance : impacts sur l'écosystème des batteries
Comment agir ? Surveiller la résistance et discriminer
Compte tenu de sa nature évolutive, le suivi des changements de la résistance au fil du temps permet de détecter les signes précurseurs d'une baisse de performance ou de risques pour la sécurité. Tout cela se fait avec un objectif différent qui n'est pas directement fourni par les données BMS(voir notre cas d'utilisation ci-dessous). Plus important encore, ces données deviennent particulièrement pertinentes lorsqu'elles sont combinées à d'autres mesures telles que le SOH, afin de connaître l'énergie réelle de l'actif, la façon dont elle est affectée par le vieillissement de la batterie et l'impact qu'elle a sur l'analyse de rentabilité du propriétaire.
