L'importance de comprendre la résistance
La résistance est souvent une variable négligée dans la surveillance des performances des batteries, car elle n'est pas directement mesurée par le BMS. Quel dommage, étant donné qu'elle influence discrètement mais de manière critique les performances et la sécurité de l'actif à court et à long terme. Un suivi approprié de l'évolution de la résistance peut donc débloquer des opportunités pour améliorer l'efficacité et la longévité de l'actif.
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 !
Résistance interne de la batterie : une force « d'arrêt » aux multiples facettes
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 les matériaux conducteurs internes ou externes (appelée « résistance ohmique »).
- Une autre composante de cette résistance interne, dynamique comme nous l'expliquerons plus tard, est connue sous le nom de « résistance de polarisation » : elle correspond à la difficulté rencontrée par les ions lorsqu'ils se déplacent à travers l'électrolyte et à travers les couches actives de l'électrode, tout comme l'effort que vous devriez déployer pour nager dans l'eau.
L'existence même de cette résistance interne persistante est à l'origine de deux limitations principales lorsqu'elle est appliquée au stockage d'énergie réel (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 » des ions lithium pour se diffuser dans l'électrolyte et s'insérer dans les couches de matériau de l'électrode mentionnées ci-dessus.
– En effectuant un zoom arrière au niveau du module, cette résistance joue un rôle encore plus trompeur. Elle peut interrompre prématurément les cycles de charge, un problème souvent causé par une mauvaise interprétation des signaux de tension par le BMS. En effet, n'oubliez pas 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 incite le BMS à penser que la batterie est entièrement chargée alors qu'en réalité, elle aurait pu stocker plus d'énergie.
Figure 1 : tension vs. capacité
Quand une résistance élevée signifie une performance d'actif plus faible
Sur le terrain, une résistance élevée a plusieurs impacts sur la performance de la batterie, à savoir ; l'efficacité énergétique globale du système.
Impact sur la performance
D'une part, une résistance élevée entraîne une perte d'énergie sous forme de chaleur, ce qui signifie que moins d'énergie (Wh) est renvoyée au réseau lors de la décharge qu'il n'y en avait initialement lors de la charge : il en résulte une autonomie plus faible pour les véhicules électriques et un potentiel de revenus réduit pour les BESS. Cela 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 des niveaux accrus 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 performance encore plus importantes si elles ne sont pas contrôlées.
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 énergétiques importants et soudains (par exemple, une accélération dynamique d'un VE).
Impact sur la sécurité
Au-delà de la performance, c'est la sécurité de l'actif qui peut être compromise avec une résistance excessive.
Une résistance élevée signifie une chaleur supplémentaire, qui peut dégénérer en 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 davantage le placage. Une fois de plus, le placage au lithium est un facteur de risque avéré d'incident.
*Résultats des tests en laboratoire de recherche
Dynamique de la résistance : gestion des fluctuations à court terme et des altérations à long terme
Pour compliquer encore les choses, la résistance est sujette à des changements, avec des variations façonnées à la fois par les conditions opérationnelles immédiates et les changements structurels sous-jacents.
Les fluctuations à court terme modifient momentanément la résistance d'une batterie :
- La résistance varie avec le SOC : la résistance est plus élevée que d'habitude lorsque les électrodes sont entièrement lithiées, c'est-à-dire à SOC élevé et faible SOC.
- 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 lorsque la température augmente.
Les changements structurels entraînent des défis plus durables. Le vieillissement de la batterie augmente progressivement la résistance à mesure que les composants internes de la batterie s'usent, ce qui entraîne 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 susceptible de varier, il existe un risque que ces variations ne se produisent pas de manière homogène et que des déséquilibres surviennent. Une telle dispersion de la résistance peut alors entraîner un vieillissement non homogène, voire un risque de surtension/sous-tension.
Figure 2 : Augmentation de la résistance : impacts sur l'écosystème de la batterie
Des solutions pratiques ? Surveiller la résistance et discriminer
Étant donné sa nature évolutive, la surveillance des changements de résistance au fil du temps apporte une valeur significative pour détecter les premiers signes de déclin des performances ou de risques pour la sécurité. Tout cela est réalisé avec un angle différent, non directement fourni par les données du BMS (voir notre cas d'utilisation ci-dessous). Plus important encore, cela devient particulièrement pertinent lorsqu'il est combiné avec d'autres mesures telles que le SOH pour avoir une idée de l'énergie réelle de l'actif, de la manière dont il est affecté par le vieillissement de la batterie et, par conséquent, de l'impact sur le business model du propriétaire.
Les articles suivants pourraient vous intéresser
- Protection du stockage de batteries : Détection d'anomalies HVAC pilotée par l'IA
- Le temps, c'est de l'argent : L'importance d'un onboarding rapide et efficace de l'analyse des batteries
- La résistance : un paramètre clé – mais sous-estimé – de l'efficacité énergétique des BESS
- Système de gestion de batterie (BMS) vs Analyse de batterie
- Les défis de l'évaluation de l'état de charge (SoC) pour les actifs de batterie
