Comment les pannes de cellules sont-elles gérées dans les grands blocs-batteries au lithium?

Matt B.

Comment les pannes de cellules sont-elles gérées dans les grands blocs-batteries au lithium?


Dans une grande batterie de cellules au lithium pour un véhicule électrique ou un système de stockage sur réseau, comment sont gérées les cellules défaillantes? Les réponses à une autre question indiquent que ces cellules sont généralement câblées en blocs parallèles (qui sont ensuite connectés en série et équilibrés) afin qu’aucune résistance ne soit ajoutée sur le chemin du courant élevé.

Que se passe-t-il lorsqu’une cellule tombe en panne et agit comme un court-circuit?

Il semble que cela court-circuite un bloc de cellules parallèles et diminue considérablement la capacité du pack global. Si la cellule morte pouvait être retirée du pack par un système électronique ou de sécurité (transistor de puissance, fusible, retrait physique et / ou remplacement), le reste des cellules parallèles pourrait continuer à fonctionner avec une diminution beaucoup plus faible de la capacité du pack utilisable.

Les batteries au plomb-acide semblent être remplacées selon un calendrier de maintenance planifié ou lorsque certaines mesures d’utilisation sont dépassées, par exemple dans l’utilisation du centre de données. Les batteries au lithium étant beaucoup plus chères, existe-t-il des caractéristiques de conception électronique typiques qui gèrent automatiquement les cellules défaillantes plutôt que de faire pivoter l’ensemble du pack avant la fin de sa vie?

Les chimies telles que LiFePO4, avec plus de 2000 cycles à 80% de la capacité, sont-elles suffisamment fiables pour que les cellules ne soient pas en court-circuit sont suffisamment rares pour être ignorées en tant que problème de conception électronique?

Dwayne Reid

En pack avec de grandes cellules, il y aurait un fusible en série avec chaque cellule. Si une cellule tombe en court-circuit, les cellules restantes ont une capacité de courant suffisante pour faire sauter ce fusible et le fonctionnement continue, bien qu’avec une capacité réduite.

Sean Boddy

@Dwayne, quel type de fusible / lien fusible doit être utilisé dans cette application? Je ne sais pas trop ce que je ferais. Je ne pense pas que je voudrais qu’il soit réparable par l’utilisateur.

mkeith

Mon expérience concerne les batteries LiPo dans les appareils grand public. Le plus gros que j’ai traité est de 4 Ah. Il s’agit d’une seule cellule par appareil. Chaque cellule a un circuit de protection qui se coupe si le courant de charge ou de décharge dépasse une limite. De plus, la décharge sera coupée si la tension de la cellule tombe en dessous d’un seuil bas, et la charge sera coupée au-dessus de 4,25 V environ. Il existe également un simple fusible passif ou PTC en série. Dans les applications où les cellules sont en parallèle, j’imagine que le groupe parallèle aurait un circuit de protection, mais chaque cellule aurait un fusible ou PTC. Nous avons utilisé de simples fusibles 0402.

Sean Boddy

Apparemment, quelqu’un a reçu un pack d’une Tesla S et a fait un démontage. teslamotorsclub.com/showthread.php/… Il existe une toute nouvelle barre omnibus qui semble utiliser des liaisons fusibles pour établir chaque connexion.

Réponses


 Filek

J’imagine d’après les questions que vous avez posées que vous planifiez un projet qui pourrait nécessiter une batterie au lithium fer phosphate de haute capacité que vous aimeriez construire vous-même.

Le seul bloc-batterie de grande capacité dans la production en grand nombre qui utilise un certain nombre de cellules en parallèle contre seulement quelques grandes cellules en parallèle est le Tesla. Tous les autres EV semblent aller avec les cellules de poche de grande capacité et n’utilisent alors qu’un couple en parallèle. L’avantage de la Tesla est que son rapport puissance / poids est presque le double de celui de tous les autres.

L’inconvénient doit être la sécurité. Tesla possède 104 brevets sur sa batterie et la plupart concernent la sécurité. Plus précisément sur la façon de gérer les cellules individuelles qui se court-circuitent ou se mettent en fuite thermique. Pour info le pack batterie Tesla S utilise 74 cellules en parallèle puis 96 en série.

J’ai lu leurs brevets et aucun d’eux ne traite d’aucune sorte de système pour réparer ou supprimer des cellules individuelles endommagées. Ils s’assurent juste que dans les rares occasions où une cellule court-circuite ou chauffe, allume le feu, etc., qu’elle est contenue dans cette cellule. Ils le font en séparant chaque cellule d’une certaine distance, en utilisant un refroidissement actif et passif, en utilisant un fusible sur chaque cellule, etc.

Tesla se vante de pouvoir remplacer un bloc-batterie complet d’un Tesla S en seulement 90 secondes, mais ils ne prétendent pas réparer ce bloc-batterie. En fait, en raison de toutes les caractéristiques de sécurité telles que la mousse ignifuge, il faut quelques heures à une personne pour accéder aux cellules individuelles de la batterie Tesla et à ce moment-là, vous avez ruiné la structure de la batterie, de sorte qu’il n’est plus utilisable pour la voiture même si vous avez remplacé la cellule individuelle détruite.

Donc, pour répondre à votre question, il semble qu’ils aient fait beaucoup d’efforts pour empêcher une cellule court-circuitée de détruire le reste du pack, mais sinon ils la laissent là et laissent le reste des cellules de ce groupe parallèle prendre le relais.

Rappelez-vous que la Tesla exige une charge très lourde de sa batterie, non seulement en poussant les cellules à leurs limites pour obtenir une distance supplémentaire hors du pack (certains propriétaires signalent des tensions de cellule qui descendent en dessous de 3,0 volts), ils exigent également un courant élevé pour l’accélération folle de la Tesla.

En lisant leurs brevets, Tesla pense que la surcharge est beaucoup plus dangereuse que la décharge (cela vient des tests qu’ils ont effectués dans leurs laboratoires). Une charge excessive entraîne des incendies et des explosions tandis qu’une décharge excessive a tendance à accélérer la perte de capacité.

Bonne chance dans votre projet. En utilisant des cellules de phosphate de fer et de lithium, vous êtes déjà beaucoup plus en sécurité.

Matt B.

Grande info, merci pour le détail.

Filek

@ MattB.- Je dois ajouter que Tesla prétend réparer les batteries endommagées, mais je n’en ai pas entendu parler. Ils emballent les batteries en 74 parallèles comme je l’ai mentionné, puis en assemblent 6 en série. Ensuite, les 6 séries sont mises en série avec 15 autres banques de batteries de 6 séries pour obtenir le total de 96 en série. Certains amateurs de Tesla suggèrent qu’un pack réparé entraînerait le remplacement de l’une des 16 banques de 6 en série. Cependant, le travail à remplacer même à ce niveau de base est très élevé, donc je doute qu’ils le fassent – cela créerait un déséquilibre avec les anciens

Filek

Les banques, et il semble que Tesla pourrait ne pas équilibrer entre les 16 banques, mais seulement entre les 6 en série. Bien sûr, personne ne sait avec certitude ce qui se passe, sauf qu’il est incroyablement laborieux de remplacer une seule cellule.

Matt B.

Après avoir regardé les photos de démontage de Tesla, il semble très laborieux de remplacer une cellule, ou même une banque. Peut-être qu’ils échangent tout mauvais pack contre un nouveau (sous garantie) et font une analyse des défaillances plutôt que de le remettre en service. Des env. 70 000 unités Model S sur le terrain, presque toutes ont moins de deux ans et la moitié ont moins d’un an. Ils n’ont peut-être pas vu plus que quelques échecs jusqu’à présent.

Filek

@MattB. Je pense que vous avez raison, et avec 104 brevets sur la batterie – et c’est après que la cellule 18650 réelle a déjà été finalisée – ils ne verront peut-être pas beaucoup d’échecs, sauf ceux qui s’usent à cause de l’utilisation et de l’âge. Peut-être ont-ils «perfectionné» le bloc-batterie fabriqué à partir de petites cellules. Leur densité d’énergie est presque le double de celle de la Nissan Leaf et des autres concurrents qui utilisent les grandes cellules. Je suis curieux de savoir ce que vous prévoyez de faire!

 

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