Vous êtes-vous déjà demandé ce qui propulse votre véhicule électrique Tesla ou BYD ?? Alors que les voitures électriques deviennent de plus en plus courantes dans notre vie quotidienne, des termes comme “cellule de batterie,” “module,” et “paquet” apparaître fréquemment. Mais que signifient exactement ces termes, et comment fonctionnent-ils ensemble pour alimenter votre véhicule électrique?
Pensez-y comme si vous construisiez avec des briques LEGO: vous commencez avec des blocs individuels (cellules de batterie), combinez-les en sections plus petites (modules de batterie), et enfin créer une structure complète (batterie). Tout comme chaque pièce LEGO joue un rôle crucial dans la création finale, chaque niveau du système de batterie répond à un objectif spécifique pour alimenter votre véhicule électrique.
Examinons maintenant de plus près la cellule de batterie, module et pack, ainsi que la connexion et la différence entre eux.
Table des matières
Qu'est-ce qu'une cellule de batterie?
Une cellule de batterie est l'unité fonctionnelle la plus élémentaire d'une batterie lithium-ion.. En regardant sa structure, chaque cellule de batterie contient cinq composants clés: une électrode positive (cathode), une électrode négative (anode), électrolyte, séparateur, et boîtier. La cathode et l'anode sont l'endroit où les ions lithium sont stockés – le matériau de la cathode peut être de l'oxyde de lithium et de cobalt (LCO), nickel-cobalt-manganèse (MR), ou phosphate de fer et de lithium (LFP), tandis que l'anode est généralement constituée de matériaux en graphite. L’électrolyte agit comme une voie permettant aux ions lithium de se déplacer. Le séparateur a un double rôle: il empêche le contact direct entre les électrodes positives et négatives tout en laissant passer les ions lithium. Enfin, le boîtier offre une protection physique et une étanchéité à l'ensemble de la cellule de batterie.
Les cellules de batterie lithium-ion sont disponibles en trois formats principaux: cylindrique, prismatique, et cellules de poche.
Cellule de batterie cylindrique
Les cellules de batterie cylindriques ont été les premières batteries lithium-ion à être produites en série. Ils sont fabriqués en enroulant la cathode, anode, et le séparateur dans un ordre spécifique en forme de cylindre, puis le loger dans un boîtier métallique. Les tailles les plus courantes sur le marché aujourd'hui comprennent 18650 (18mm diamètre, 65mm longueur, avec une capacité d'environ 2,2-3,4 Ah), 21700 (21mm diamètre, 70mm longueur, avec une capacité d'environ 4,0 à 5,0 Ah), et le plus récent 4680 (46mm diamètre, 80mm longueur). Grâce à leur excellente fiabilité et à leurs avantages en termes de coûts, les cellules de batterie cylindriques sont largement utilisées dans les outils électriques, appareils portables, et véhicules électriques – Tesla étant l'un des plus grands utilisateurs de cellules de batterie cylindriques.
Avantages des cellules de batterie cylindriques
1. Leur processus de fabrication est le plus abouti et le plus automatisé, conduisant à des économies de coûts significatives et à une qualité de produit constante.
2. La forme cylindrique assure une répartition uniforme des contraintes sous pression interne, offrant une excellente résistance mécanique.
3. Haut degré de standardisation – les produits de différents fabricants sont interchangeables.
4. Grand rapport surface/volume, ce qui les rend meilleurs en matière de dissipation thermique.
Inconvénients des cellules de batterie cylindriques
1. Le problème le plus notable est leur faible efficacité spatiale. Les formes cylindriques créent naturellement des espaces lorsqu'elles sont emballées dans des espaces rectangulaires, ce qui entraîne une perte d'espace.
2. En raison de leur capacité individuelle relativement faible, la création d'un système de batterie haute capacité nécessite de connecter de nombreuses cellules de batterie en série et en parallèle. Cela augmente le nombre de points de connexion et rend l'assemblage plus complexe.
3. Les cellules de batterie cylindriques ont généralement une densité énergétique inférieure à celle des cellules de poche., ce qui limite quelque peu leur utilisation dans les applications nécessitant une forte densité énergétique.
4. Leurs dimensions fixes limitent la flexibilité de conception, ce qui rend difficile l'optimisation des formes de batterie pour des applications spécifiques.
Cellule de batterie prismatique
Les cellules de batterie prismatiques utilisent des boîtiers rigides en aluminium ou en acier pour le boîtier, avec des structures internes réalisées par des procédés de bobinage ou d'empilage. En tant que format de batterie grand public, les cellules prismatiques offrent des dimensions relativement flexibles et des capacités individuelles plus grandes, allant de 20Ah à 314Ah, certains fabricants produisant même des cellules de batterie de 560 Ah. Actuellement, les cellules prismatiques sont principalement utilisées dans les véhicules électriques, véhicules électriques commerciaux, et systèmes de stockage d'énergie. Principaux fabricants de batteries comme BYD, CATL et CHAUVE sont des cellules prismatiques produisant en masse.
Avantages des cellules de batterie prismatiques
1. La structure rectangulaire offre une meilleure utilisation de l'espace, contribuant à augmenter la densité énergétique des batteries.
2. Les grandes surfaces de contact des cellules prismatiques facilitent la dissipation de la chaleur, ce qui est bénéfique pour la gestion thermique de la batterie.
3. Une capacité de cellule individuelle plus élevée signifie moins de connexions en série et en parallèle par rapport aux cellules cylindriques, simplifier la conception du système.
4. Les grandes surfaces planes rendent le montage et l'assemblage de la batterie plus pratiques.
Inconvénients des cellules de batterie prismatiques
1. Par rapport aux cellules cylindriques, les cellules prismatiques ont des coûts de fabrication plus élevés et nécessitent des processus de production plus rigoureux.
2. En raison de leur structure interne, les cellules prismatiques ont tendance à gonfler quelque peu pendant les cycles de charge et de décharge, nécessitant un espace supplémentaire et des contraintes supplémentaires dans la conception mécanique.
3. Les spécifications des cellules prismatiques varient considérablement selon les différents fabricants du secteur., ce qui rend difficile l'échange entre différentes marques.
Cellule de poche
Les cellules à pochette utilisent un film aluminium-plastique comme enveloppe extérieure, généralement avec une structure interne empilée. Le film aluminium-plastique est composé de plusieurs couches de matériaux composites, dont du nylon., feuille d'aluminium, et polypropylène, ce qui le rend léger et économique. Dans l'électronique grand public, Les cellules de poche sont disponibles en différentes tailles et capacités pour répondre aux différentes exigences des produits. – Par exemple, les batteries des smartphones ont généralement des capacités de 3 à 4 Ah, tandis que les batteries d'ordinateurs portables peuvent atteindre 5-8Ah. Actuellement, les cellules de poche sont principalement utilisées dans l’électronique grand public (comme les smartphones, comprimés, et ordinateurs portables) et appareils électroniques portables.
Avantages des cellules de poche
1. Grâce à leur boîtier léger en film aluminium-plastique, ils ont une densité d'énergie gravimétrique élevée (énergie par unité de poids).
2. Les cellules de poche offrent une grande flexibilité de conception, permettant la personnalisation de la taille et de la forme pour différentes applications.
3. La structure interne empilée crée un contact étroit entre les couches conductrices, ce qui se traduit par une faible résistance interne et de bonnes performances de débit.
4. Pendant l'emballement thermique, les cellules de la poche ont tendance à relâcher la pression interne par gonflement et déformation, plutôt qu'une panne explosive violente.
Inconvénients des cellules de poche
1. Le boîtier en film aluminium-plastique a une résistance mécanique relativement faible et est vulnérable aux dommages externes, nécessitant des composants structurels supplémentaires pour la protection.
2. Les cellules en poche nécessitent des conditions de fabrication hautement contrôlées, étant particulièrement sensible à l’humidité. Le processus de scellage doit être effectué dans un environnement sec strictement contrôlé.
3. Des précautions particulières sont nécessaires pendant le stockage et le transport pour éviter l'exposition à l'humidité et la pression physique., ce qui augmente les coûts logistiques.
4. Les cellules de poche ont généralement des taux de rendement de production inférieurs à ceux des batteries à boîtier rigide, ce qui affecte quelque peu leur compétitivité-coût.
Qu'est-ce que le module de batterie?
Après avoir introduit la plus petite unité – la cellule de la batterie – Explorons le niveau suivant dans un système de batterie: le module batterie. Un module de batterie est une unité fonctionnelle réalisée en connectant plusieurs cellules de batterie en série et en parallèle.. Il comprend non seulement les cellules de la batterie elles-mêmes, mais également les connexions électriques de base et les dispositifs de protection de sécurité.. Tout simplement, si les cellules de la batterie sont comme des blocs de construction, alors un module de batterie est l'unité structurelle de base constituée de ces blocs.
Les modules de batterie jouent un rôle intermédiaire crucial dans le système de batterie global. Grâce à des connexions en série appropriées, ils peuvent augmenter la tension d'une seule cellule de batterie (généralement 3,2-3,7 V) aux niveaux requis (comme 48 V ou plus). Les connexions parallèles augmentent la capacité et les capacités de sortie de puissance. Au-delà de l’amélioration des performances électriques, la conception des modules de batterie doit relever de nombreux défis techniques, notamment l'équilibrage des cellules de batterie, contrôle de la température, et soutien structurel.
Une compréhension approfondie des modules de batterie est essentielle pour la conception et l'application de l'ensemble du système de batterie.. Si vous souhaitez en savoir plus sur les modules de batterie, n'hésitez pas à lire notre article dédié: qu'est-ce qu'un module de batterie?. Cet article fournit des informations plus détaillées sur les modules de batterie.
En comprenant à la fois les cellules de batterie et les modules de batterie, nous avons jeté les bases pour explorer le fonctionnement des batteries et leurs caractéristiques de conception. Un bloc de batterie intègre plusieurs modules de batterie pour former un système complet de stockage d'énergie. Continuons avec l'apprentissage des batteries.
Qu'est-ce que la batterie?
Une batterie est une unité de stockage d'énergie de niveau supérieur à un module de batterie.. Plusieurs modules de batterie sont connectés en série et en parallèle via des systèmes de jeux de barres soigneusement conçus pour atteindre les niveaux de tension et de capacité requis.. Cependant, une batterie n’est pas simplement une simple combinaison de modules de batterie – c'est un système complexe. Un système de batterie complet comprend principalement: une gamme de modules de batterie, un système de gestion de batterie (GTC), un système de gestion thermique (TMS), une unité de distribution haute tension, un système de support structurel, et divers capteurs.
Les configurations des blocs-batteries varient considérablement en fonction de leur application. Dans les véhicules électriques, les tensions des blocs-batteries varient généralement de 300 à 400 V (avec certains modèles haut de gamme utilisant des systèmes 800V), et les capacités vont de 30kWh à 100kWh. Les véhicules électriques commerciaux pourraient nécessiter des conceptions de capacité encore plus grande. Dans les applications de stockage d'énergie, la gamme s'étend de quelques kWh pour le stockage d'énergie domestique à des centaines de MWh pour le stockage au niveau du réseau.
GTC
Le système de gestion de batterie (GTC) agit comme le “cerveau” de la batterie. Il doit surveiller et gérer divers paramètres de fonctionnement en temps réel pour garantir un fonctionnement sûr et efficace du système.. Un BMS complet comprend généralement un contrôleur maître et plusieurs contrôleurs esclaves, former une structure de gestion hiérarchique. Le contrôleur principal gère la gestion et la prise de décision au niveau du système, tandis que les contrôleurs esclaves fonctionnent au niveau du module pour collecter des données plus détaillées.
La tâche principale du BMS est d'assurer la sécurité du système de batterie. Il le fait en surveillant la tension, actuel, température, et d'autres paramètres en temps réel pour vérifier que la batterie fonctionne dans des limites sûres. Si une anomalie est détectée, le BMS prend immédiatement des mesures de protection, comme débrancher le circuit haute tension ou activer le système de refroidissement. En plus, le BMS gère le contrôle de pré-charge, augmentant progressivement la haute tension via un circuit de précharge pendant le démarrage du système pour éviter d'endommager les composants dus aux surtensions de courant.
L’équilibrage des cellules de batterie est une autre fonction cruciale du BMS. Pendant le fonctionnement de la batterie, les cellules individuelles de la batterie peuvent développer des différences d'état en raison des variations de fabrication et des différentes conditions de fonctionnement. Le BMS utilise des techniques d'équilibrage actif ou passif pour ajuster l'état de charge des cellules individuelles de la batterie., s'assurer qu'ils restent cohérents. Ceci est essentiel pour maximiser la durée de vie et les performances de la batterie..
Une estimation précise des charges est également une tâche clé du BMS. Contrairement aux jauges de carburant des véhicules traditionnels, estimation de l'état de charge (SOC) et l’autonomie restante des véhicules électriques est beaucoup plus complexe. Le BMS doit prendre en compte plusieurs facteurs, notamment l'état de la batterie en temps réel, données d'utilisation historiques, température ambiante, et les conditions de conduite pour construire des modèles d'estimation précis. Simultanément, il évalue l’état de santé de la batterie (SOH) et prédit les tendances de dégradation des capacités, fournir des informations importantes aux utilisateurs et au personnel de maintenance.
Système de gestion thermique
Le système de gestion thermique (TMS) est crucial pour garantir les performances et la sécurité de la batterie. Les batteries au lithium génèrent une chaleur importante pendant le fonctionnement, qui, s'il n'est pas dissipé rapidement, peut non seulement affecter les performances, mais également entraîner des problèmes de sécurité. Les solutions de gestion thermique actuelles incluent: systèmes de refroidissement par air, systèmes de refroidissement liquide, et systèmes de refroidissement de matériaux à changement de phase. Dans les véhicules électriques, les systèmes de refroidissement liquide deviennent le choix dominant en raison de leur excellente dissipation thermique et de leur efficacité spatiale. Pour les systèmes de stockage d'énergie, différentes solutions de refroidissement peuvent être utilisées en fonction des exigences de capacité et de l'environnement d'exploitation. Un système complet de gestion thermique doit prendre en compte non seulement le refroidissement mais également le chauffage dans les environnements froids. – ceci est essentiel pour maintenir les performances et la longévité de la batterie en matière de charge/décharge.
Protection de sécurité
La protection de sécurité est un facteur critique dans la conception des batteries. Les batteries nécessitent plusieurs mécanismes de protection de sécurité, y compris: sécurité électrique, protection contre l'emballement thermique, et sécurité structurelle. Pour la sécurité électrique, le pack doit être équipé de dispositifs de déconnexion haute tension, surveillance de l'isolation, et protection contre la surcharge et la décharge excessive. Pour la protection contre l'emballement thermique, la conception doit inclure des barrières de propagation thermique, systèmes d'alerte, et dispositifs de décompression. Quant à la sécurité structurelle, le pack doit être conçu pour résister à l’eau, protection contre la poussière, résistance aux vibrations, et protection contre les accidents. En particulier dans les applications automobiles, les blocs-batteries doivent répondre à des normes strictes de sécurité en cas d'accident.
Applications
Les batteries ont des priorités de conception différentes pour différentes applications.
Dans les véhicules électriques, faire correspondre la batterie avec le système global du véhicule est un processus complexe. Vient d’abord l’intégration mécanique – la batterie doit être fortement intégrée à la carrosserie du véhicule, répondant à la fois aux exigences d'espace et garantissant la résistance structurelle et la sécurité en cas de collision. Vient ensuite l’intégration électrique, nécessitant une coordination avec les systèmes haute tension et de recharge du véhicule. Ensuite, il y a l’intégration de la gestion thermique, qui doit fonctionner avec le système de climatisation du véhicule pour un contrôle efficace de la température. Enfin, des facteurs tels que la répartition du poids du véhicule et le contrôle des coûts doivent être pris en compte. Les véhicules de tourisme électriques utilisent généralement un “skateboard” conception, intégration du pack batterie sous le châssis – cela abaisse à la fois le centre de gravité pour une meilleure maniabilité et maximise l'utilisation de l'espace du véhicule.
Dans les applications de stockage d'énergie, les priorités de conception des blocs-batteries diffèrent de celles des applications pour véhicules électriques. Par rapport à l’utilisation des véhicules électriques, les packs de batteries de stockage d'énergie se concentrent davantage sur l'évolutivité du système, cycle de vie, et la rentabilité, tout en ayant des exigences plus souples en matière de densité de puissance et de contraintes de volume. Les grandes stations de stockage d'énergie utilisent généralement des conceptions basées sur des conteneurs, combinant de manière organique plusieurs systèmes de batteries avec des systèmes indépendants de protection incendie et de contrôle environnemental. En plus, les packs de batteries de stockage d'énergie nécessitent des systèmes de gestion de l'énergie spécialisés (SME) pour optimiser les stratégies de charge/décharge, améliorer l'économie du système, et réduire les coûts d'exploitation.
Différences entre les cellules de batterie, Module et Pack
La relation entre les cellules de la batterie, modules, et les packs ne sont pas qu'un simple processus d'empilage, mais plutôt le résultat de considérations globales incluant la performance, sécurité, et facteurs de coût. Examinons les différences et les liens entre ces trois niveaux sous différents angles.
Fonctionnel
D'un point de vue fonctionnel, chaque niveau a son propre objectif. Comme unité de base, les cellules de la batterie fonctionnent principalement pour convertir l'énergie électrochimique et électrique, stocker et libérer de l'énergie par des réactions électrochimiques internes. Les modules de batterie servent principalement à combiner efficacement les cellules de batterie, fournir des connexions électriques de base et un support mécanique, tout en offrant une protection préalable aux cellules de la batterie. Le bloc-batterie est un système complet qui non seulement stocke l'énergie, mais met également en œuvre des fonctions au niveau du système, notamment une gestion complète de la batterie., gestion thermique, et protection de la sécurité.
Performance
En termes de caractéristiques de performance, il existe des différences nettes entre les trois niveaux. Les cellules de batterie individuelles fonctionnent généralement à des tensions comprises entre 3,2 et 3,7 V., avec des capacités allant de quelques à plusieurs centaines d'ampères-heures. Leurs caractéristiques de performance déterminent les capacités de base de l’ensemble du système de stockage d’énergie. Par exemple, la densité énergétique d’une cellule de batterie affecte directement l’autonomie du système, tandis que sa capacité de débit détermine les vitesses de charge et de décharge.
Les modules de batterie combinent plusieurs cellules de batterie en série et en parallèle pour obtenir des tensions plus élevées et des capacités plus importantes.. En plus, les modules de batterie fournissent un support structurel pour garantir que les cellules de la batterie sont correctement alignées et solidement fixées. Les modules de batterie intègrent également des fonctions de base de détection de tension et de surveillance de la température.. Plus important encore, la conception du module de batterie doit tenir compte des exigences de refroidissement, intégrant généralement des canaux de refroidissement dédiés ou des plaques de refroidissement. Tous ces éléments de conception constituent la base de l'intégration du système au niveau de la batterie..
Les packs de batteries contiennent non seulement plusieurs modules de batterie, mais intègrent également des systèmes BMS et de gestion thermique complets.. Ainsi, leur caractéristique la plus distinctive est l'exhaustivité du système et ses fonctionnalités complètes.
En raison du nombre croissant de composants auxiliaires à chaque niveau, la densité énergétique diminue progressivement des cellules de batterie aux modules de batterie en passant par les packs de batteries. Prendre une batterie NCM spécifique comme exemple, La densité énergétique des cellules de batterie peut atteindre 260 Wh/kg, La densité énergétique du module de batterie est d'environ 230 Wh/kg, tandis que la batterie chute à environ 190Wh/kg.
Structure des coûts
Il existe également des différences significatives dans la structure des coûts. Dans le coût total de la batterie, les cellules de batterie représentent la plus grande partie à environ 50%, les matériaux cathodiques étant le principal élément de coût des cellules de batterie. Au niveau du module batterie, les coûts augmentent en raison des composants structurels et des connecteurs. Le niveau de la batterie ajoute des coûts système pour le BMS, gestion thermique, et protection structurelle. Cette répartition des coûts indique que la réduction des coûts des cellules de batterie est essentielle pour améliorer la rentabilité de l'ensemble du système de stockage d'énergie..
Il convient de noter qu’avec les progrès technologiques, la structure traditionnelle à trois niveaux continue d'évoluer. Par exemple, certains fabricants ont introduit le CTP (Cellule à Pack) technologie, ce qui simplifie le traditionnel “pack de modules de cellules” hiérarchie en passant directement de cellule à pack. Bien que cette innovation apporte des améliorations en matière de densité énergétique, cela impose également des exigences plus élevées aux processus de conception et de fabrication.
En conclusion, il est important de connaître le SOC et le SOH de la batterie. Pour les utilisateurs, ils peuvent comprendre l’état de la batterie et mieux l’utiliser et l’entretenir. Pour les fabricants, ils peuvent continuellement mettre à jour leurs produits et technologies pour produire des batteries plus performantes.
