Comment lire la courbe de décharge de la batterie

Comment lire la courbe de décharge de la batterie

Les batteries sont des systèmes électrochimiques et thermodynamiques complexes et de multiples facteurs affectent leurs performances. Bien entendu, la composition chimique de la batterie est le facteur le plus important. Cependant, pour déterminer quel type de batterie est le plus adapté à une application spécifique, il est également nécessaire de prendre en compte des facteurs tels que le taux de charge et de décharge, la température de fonctionnement, les conditions de stockage et les détails de la structure physique. Tout d’abord, plusieurs termes doivent être définis :

★ La tension en circuit ouvert (Voc) est la tension entre les bornes de la batterie lorsqu'il n'y a aucune charge sur la batterie.

★ La tension aux bornes (Vt) est la tension entre les bornes de la batterie lorsque la charge est appliquée à la batterie ; Généralement inférieur à COV.

La tension de coupure (Vco) est la tension à laquelle la batterie est complètement déchargée, comme spécifié. Bien qu'il reste généralement de la batterie, le fonctionnement à une tension inférieure à Vco peut endommager la batterie.

★ La capacité mesure le nombre total d'ampères-heures (AH) qu'une batterie peut fournir lorsqu'elle est complètement chargée, jusqu'à ce que Vt atteigne Vco.

Le taux de charge et de décharge (C-Rate) est le taux auquel une batterie est chargée ou déchargée par rapport à sa capacité nominale. Par exemple, un taux de 1C chargera ou déchargera complètement la batterie en 1 heure. À un taux de décharge de 0,5 °C, la batterie se déchargera complètement en 2 heures. L'utilisation d'un taux C plus élevé réduit généralement la capacité disponible de la batterie et peut endommager la batterie.

★ L'état de charge de la batterie (SoC) quantifie la capacité restante de la batterie en pourcentage de la capacité maximale. Lorsque SoC atteint zéro et que Vt atteint Vco, il peut encore rester de la puissance dans la batterie, mais sans endommager la batterie ni affecter sa capacité future, la batterie ne peut pas être déchargée davantage.

★ La profondeur de décharge (DoD) est un complément du SoC, qui mesure le pourcentage de capacité de la batterie déchargée ; DoD=100-SoC.

① La durée de vie est le nombre de cycles disponibles avant que la batterie n'atteigne sa fin de durée de vie.

La fin de vie de la batterie (EoL) fait référence à l'incapacité de la batterie à fonctionner selon les spécifications minimales prédéterminées. L’EoL peut être quantifiée de différentes manières :

① La diminution de capacité est basée sur le pourcentage de diminution donné de la capacité de la batterie par rapport à la capacité nominale dans des conditions spécifiées.

② L'atténuation de puissance est basée sur la puissance maximale de la batterie à un pourcentage donné par rapport à la puissance nominale dans des conditions spécifiées.

③ Le débit énergétique quantifie la quantité totale d'énergie qu'une batterie est censée traiter au cours de sa durée de vie, par exemple 30 MWh, en fonction de conditions de fonctionnement spécifiques.

★ L'état de santé (SoH) de la batterie mesure le pourcentage de durée de vie utile restant avant d'atteindre EoL.

Courbe de polarisation

La courbe de décharge de la batterie est formée sur la base de l'effet de polarisation de la batterie qui se produit pendant le processus de décharge. La quantité d'énergie qu'une batterie peut fournir dans différentes conditions de fonctionnement, telles que le taux C et la température de fonctionnement, est étroitement liée à l'aire sous la courbe de décharge. Pendant le processus de décharge, le Vt de la batterie diminuera. La diminution de Vt est liée à plusieurs facteurs principaux :

✔ Chute IR – La diminution de la tension de la batterie causée par le courant traversant la résistance interne de la batterie. Ce facteur augmente linéairement à un débit de décharge relativement élevé et à température constante.

✔ Polarisation d'activation – fait référence à divers facteurs de décélération liés à la cinétique des réactions électrochimiques, tels que le travail de travail que les ions doivent surmonter à la jonction entre les électrodes et les électrolytes.

✔ Polarisation de concentration – Ce facteur prend en compte la résistance rencontrée par les ions lors du transfert de masse (diffusion) d'une électrode à l'autre. Ce facteur domine lorsque les batteries lithium-ion sont complètement déchargées et la pente de la courbe devient très raide.

La courbe de polarisation (courbe de décharge) de la batterie montre les effets cumulatifs de la diminution IR, de la polarisation d'activation et de la polarisation de concentration sur Vt (potentiel de la batterie). (Image : BioLogique)

Considérations sur la courbe de décharge

Les batteries ont été conçues pour une large gamme d'applications et offrent diverses caractéristiques de performances. Par exemple, il existe au moins six systèmes chimiques de base au lithium-ion, chacun avec son propre ensemble de fonctionnalités uniques. La courbe de décharge est généralement tracée avec Vt sur l'axe Y, tandis que SoC (ou DoD) est tracé sur l'axe X. En raison de la corrélation entre les performances de la batterie et divers paramètres tels que le taux C et la température de fonctionnement, chaque système chimique de batterie présente une série de courbes de décharge basées sur des combinaisons spécifiques de paramètres de fonctionnement. Par exemple, la figure suivante compare les performances de décharge de deux systèmes chimiques lithium-ion courants et de batteries au plomb à température ambiante et à un taux de décharge de 0,2 °C. La forme de la courbe de décharge revêt une grande importance pour les concepteurs.

Une courbe de décharge plate peut simplifier certaines conceptions d'applications, car la tension de la batterie reste relativement stable tout au long du cycle de décharge. D’un autre côté, la courbe de pente peut simplifier l’estimation de la charge résiduelle, car la tension de la batterie est étroitement liée à la charge résiduelle de la batterie. Cependant, pour les batteries lithium-ion présentant des courbes de décharge plates, l'estimation de la charge résiduelle nécessite des méthodes plus complexes, comme le comptage de Coulomb, qui mesure le courant de décharge de la batterie et intègre le courant dans le temps pour estimer la charge résiduelle.

De plus, les batteries dont les courbes de décharge sont inclinées vers le bas subissent une diminution de puissance tout au long du cycle de décharge. Une batterie « de taille excessive » peut être nécessaire pour prendre en charge les applications haute puissance à la fin du cycle de décharge. Il est généralement nécessaire d'utiliser un régulateur de tension élévateur pour alimenter des appareils et des systèmes sensibles utilisant des batteries présentant des courbes de décharge abruptes.

Voici la courbe de décharge d'une batterie lithium-ion, qui montre que si la batterie est déchargée à un rythme très élevé (ou vice versa, à un rythme faible), la capacité effective diminuera (ou augmentera). C’est ce qu’on appelle le changement de capacité, et cet effet est courant dans la plupart des systèmes chimiques de batterie.

La tension et la capacité des batteries lithium-ion diminuent avec l'augmentation du taux C. (Image : Richtek)

La température de fonctionnement est un paramètre important qui affecte les performances de la batterie. À des températures très basses, les batteries contenant des électrolytes à base d'eau peuvent geler, limitant ainsi la limite inférieure de leur plage de température de fonctionnement. Les batteries au lithium-ion peuvent subir un dépôt de lithium par électrode négative à basse température, réduisant ainsi leur capacité de manière permanente. À des températures élevées, les produits chimiques peuvent se décomposer et la batterie peut cesser de fonctionner. Entre le gel et les dommages chimiques, les performances de la batterie varient généralement considérablement en fonction des changements de température.

La figure suivante montre l'impact de différentes températures sur les performances des batteries lithium-ion. À des températures très basses, les performances peuvent diminuer considérablement. Cependant, la courbe de décharge de la batterie ne représente qu’un aspect des performances de la batterie. Par exemple, plus l’écart entre la température de fonctionnement des batteries lithium-ion et la température ambiante (que ce soit à haute ou à basse température) est grand, plus la durée de vie est courte. Pour des applications spécifiques, une analyse complète de tous les facteurs affectant l’applicabilité des différents systèmes chimiques de batterie dépasse le cadre de la courbe de décharge de batterie de cet article. Un exemple d'autres méthodes d'analyse des performances de différentes batteries est le tracé de Lagone.

La tension et la capacité de la batterie dépendent de la température. (Image : Richtek)

Parcelles Lagon

Le diagramme Lagoon compare la puissance spécifique et l’énergie spécifique de différentes technologies de stockage d’énergie. Par exemple, lorsqu’on considère les batteries de véhicules électriques, l’énergie spécifique est liée à l’autonomie, tandis que la puissance spécifique correspond aux performances d’accélération.

Un diagramme de Ragone comparant la relation entre l'énergie spécifique et la puissance spécifique de diverses technologies. (Image : Researchgate)

Le diagramme Lagoon est basé sur la densité d’énergie massique et la densité de puissance, et n’inclut aucune information relative aux paramètres de volume. Bien que le métallurgiste David V. Lagone ait développé ces graphiques pour comparer les performances de diverses compositions chimiques de batteries, le graphique Lagone convient également pour comparer tout ensemble de dispositifs de stockage d'énergie et d'énergie, tels que les moteurs, les turbines à gaz et les piles à combustible.

Le rapport entre l'énergie spécifique sur l'axe Y et la puissance spécifique sur l'axe X correspond au nombre d'heures pendant lesquelles l'appareil fonctionne à la puissance nominale. La taille de l’appareil n’affecte pas cette relation, car les appareils plus grands auront une puissance et une capacité énergétique proportionnellement plus élevées. La courbe isochrone représentant le temps de fonctionnement constant sur le diagramme Lagoon est une ligne droite.

Résumé

Il est important de comprendre la courbe de décharge d'une batterie et les différents paramètres qui composent la famille de courbes de décharge liés à la chimie spécifique de la batterie. En raison de la complexité des systèmes électrochimiques et thermodynamiques, les courbes de décharge des batteries sont également complexes, mais elles ne constituent qu'un moyen de comprendre les compromis de performances entre les différentes compositions chimiques et structures des batteries.