La tension d'une seule cellule lithium-ion (3 à 4 V) est trop faible pour alimenter puissance haute puissance . Il est donc nécessaire d'assembler plusieurs cellules afin d'augmenter la tension et de pouvoir fournir puissance suffisante puissance l'application.
Les cellules sont connectées en série (augmentation de la tension) et en parallèle (augmentation de la capacité et du courant) pour former des batteries. En outre, un système de batterie doit intégrer les fonctions suivantes :
- Veillez à ce que les cellules soient toujours utilisées dans leur plage spécifiée ;
- Assurer la sécurité des utilisateurs
- Informer l'utilisateur de l'état de la batterie (énergie restante, puissance disponible, sécurité)
- Résister et protéger les cellules contre les contraintes environnementales (vibrations, chocs, immersion, intempéries, brouillard salin, rayonnements électromagnétiques, incendie…).
Par conséquent, les éléments composant un système de batterie doivent répondre aux exigences suivantes :
Système électronique de gestion de batterie
La tension de chaque cellule composant la batterie, leur température et leur courant doivent être surveillés en permanence afin de rester dans la plage spécifiée par le fabricant. Par exemple, il est généralement interdit de charger une cellule lithium-ion lorsque sa température est inférieure à 0 °C. Une batterie doit également se protéger lorsque sa température ou sa tension augmente trop (par exemple au-dessus de 60 °C ou 4,2 V par cellule). Le système de gestion de batterie (BMS) surveille en permanence ces variables afin d'informer l'utilisateur de l'état de la batterie ou de protéger celle-ci en la déconnectant. Le BMS communique à l'utilisateur l'énergie restante et la puissance la batterie peut fournir ou recevoir. Certains BMS peuvent également estimer le vieillissement de la batterie.
Notons ici que la plage de fonctionnement autorisée par le BMS (tension, température et courant) a une influence significative sur la durée de vie de la batterie. Elle doit donc être choisie de manière appropriée afin de répondre aux exigences de l'application et de garantir une durée de vie maximale.
Protection électrique
La tension des cellules individuelles n'est pas dangereuse. Cependant, le raccordement d'un grand nombre de cellules peut entraîner une tension dangereuse. La conception de la batterie doit être adaptée afin de garantir la sécurité de tous les utilisateurs et de les protéger contre les dangers liés à une tension élevée. Si une batterie est conçue pour une tension de fonctionnement de 800 V, tous les conducteurs de courant doivent être isolés du châssis pour une tension équivalente, avec une marge de sécurité généralement fixée à deux fois la tension nominale ajoutée à 1 000 V (par exemple 2 600 V pour une batterie de 800 V). Le concepteur de la batterie doit s'assurer que tous les conducteurs de courant sont séparés du châssis par des matériaux isolants d'une épaisseur suffisante et éviter toute fuite de courant autour de ces pièces isolantes. Par exemple, l'air pur peut garantir une rigidité diélectrique de 3 kV par mm (moins en présence de poussière). Mais un chemin de fuite de courant le long d'une pièce isolante ne protège que 1,5 kV par mm (toujours dans l'air pur).
Contraintes environnementales (chocs, vibrations, CEM, protection contre l'eau, incendie…)
Comme tous les composants, la batterie sera soumise à un grand nombre de contraintes environnementales. Sa conception et son processus d'assemblage doivent être adaptés afin de garantir sa résistance à ces contraintes pendant toute sa durée de vie. Les cellules lithium-ion ne sont pas conçues pour résister à toutes les contraintes de toutes les applications. Le système de batterie doit donc protéger les cellules contre ces contraintes.
Conditionnement thermique et sécurité
Le conditionnement thermique de la batterie peut être nécessaire pour maintenir les cellules dans une zone de fonctionnement sûre. En effet, entre 75 °C et 110 °C selon le type de cellule, celles-ci peuvent entrer en emballement thermique. L'emballement thermique correspond à une augmentation rapide de la température de la cellule, suivie d'une ouverture de l'évent pour évacuer l'excès de gaz ou, dans le pire des cas, à un incendie ou une explosion. Pour éviter ces situations, les cellules doivent être maintenues à une température inférieure à 55 à 60 °C. Les cellules lithium-ion sont conçues pour conserver leur intégrité pendant un emballement thermique et évacuer l'excès de gaz par un évent. Le système de batterie doit être conçu pour évacuer cette grande quantité de gaz et éviter la propagation de l'emballement thermique aux cellules adjacentes.
Furthermore, a repeated use at high temperature (>35°C) or low temperature (<5°C) cause faster aging of the cells. A study conducted by Renault and The University of Bordeaux (Journal of Power Sources 325 (2016) pages 273 to 285) shows that the aging speed is multiplied by 3,25 between 30 and 45°C. It becomes even more significant between 30 and 60°C, since the aging speed gets multiplied by 21,5.
Les performances de la batterie sont toujours limitées par l'élément le plus faible, il est donc très important de veiller à ce que la température des cellules soit aussi homogène que possible afin d'obtenir un vieillissement identique. Cela a conduit à la mise en place d'un système de refroidissement liquide dans de nombreux véhicules électriques (voir illustration ci-dessous).
