Caractéristiques des batteries en conditions météorologiques extrêmes

Dans des conditions extrêmes, disposer d'une source d'énergie fiable est l'une des choses les plus importantes. Si vous voulez savoir quelle batterie convient le mieux à votre situation, vous devez d'abord savoir comment le temps froid les affecte. Les batteries sont très sensibles aux variations fréquentes de température et à certaines conditions météorologiques, ce qui affecte leur durée de vie. Il est donc important de concevoir des systèmes efficaces de gestion thermique des batteries afin d'améliorer la dissipation de chaleur et de répondre à des exigences telles qu'une puissance élevée, des taux de charge rapides et une performance améliorée. Ces variations rapides des batteries doivent être surveillées attentivement et gérées pour éviter les problèmes liés à la sécurité et à la chaleur. En conclusion, la gestion thermique dans un véhicule électrique est importante pour prolonger la durée de vie de la batterie dans des conditions météorologiques extrêmes.

‍Utilisation des piles au lithium par temps froid :

Vivre hors réseau peut devenir périlleux lorsque les températures descendent sous zéro, et vous voulez être sûr que vos besoins essentiels sont couverts.

Les batteries au plomb-acide ont tendance à offrir des performances inférieures à celles de leurs homologues au lithium. Cela fait des batteries au lithium une source d'énergie de choix pour quiconque souhaite explorer des lieux où les températures descendent très bas. Les dommages causés à la batterie lors de la charge à des températures plus froides sont proportionnels au taux de charge. Charger à un rythme plus lent peut réduire les dommages, mais cette solution est rarement pratique. Des températures inférieures à 0°C réduisent à la fois l'efficacité et la capacité utilisable des batteries au lithium, qui conservent tout de même 95 à 98 % de leur capacité avec des pertes minimes.

Entre 0°C et -10°C, les batteries ne peuvent pas être chargées à plus de 1C. Entre -10°C et -20°C, elles ne peuvent pas être chargées à plus de 0,05C. À environ -30°C, la capacité en Ah de la batterie chute à 50 %. En dessous de -30°C, la capacité est réduite de 20 %. Ces taux de charge augmentent considérablement la durée de charge et compliquent l'ensemble du processus. Lors d'une charge à des températures positives, les ions lithium contenus dans la batterie sont absorbés comme par une éponge par le graphite poreux qui compose l'anode, la borne négative de la batterie.

En dessous de zéro, en revanche, les ions lithium ne sont pas efficacement captés par l'anode. Beaucoup d'entre eux se déposent à la surface de l'anode, un phénomène appelé placage de lithium, ce qui signifie qu'il y a moins de lithium disponible pour générer le courant électrique, et la capacité de la batterie diminue. Charger en dessous de zéro à un taux de charge inadapté rend également la batterie mécaniquement moins stable et plus sujette à une défaillance soudaine. À moins que votre BMS ne communique avec votre chargeur et que ce dernier puisse réagir aux données fournies, cela peut être difficile à gérer. Si vous chargez à des températures négatives, le courant de charge doit être de 5 à 10 % de la capacité de la batterie.

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Fortes variations de température

La tension de charge de la batterie varie également avec la température. Elle passe d'environ 2,74 volts par cellule à -40°C à 2,3 volts par cellule à 50°C. C'est pourquoi vous devriez prévoir une compensation de température sur votre chargeur ou régulateur de charge si vos batteries sont à l'extérieur et/ou soumises à de fortes variations de température.

Nous observons une demande croissante pour des batteries basse température (<– 40°C) dans des domaines spécifiques tels que les avions haute altitude, les expéditions polaires, certains équipements militaires, etc.

Par ailleurs, la fréquence croissante des événements météorologiques extrêmes, comme le récent vortex polaire balayant la moitié de l'hémisphère nord, a suscité de nombreuses inquiétudes quant à la réduction de l'autonomie des packs de batteries ainsi qu'à la durabilité réduite des batteries dans de nombreux autres appareils électroniques ou outils électriques. Cela renforce également l'exigence croissante de performance des batteries à très basse température. L'origine de la dégradation électrochimique à basse température a été identifiée comme suit :

1. l'électrolyte devient plus visqueux, voire gèle, ce qui dégrade la mobilité ionique et la mouillabilité de l'électrode
2. le transfert de charge au sein de l'électrode devient beaucoup plus difficile en raison de la résistance intrinsèque aux joints de grains et de la diffusion lente des ions métalliques dans le réseau inorganique
3. l'interface électrolyte solide (SEI) devient moins perméable aux ions métalliques
4. la réaction de dépôt métallique devient très problématique. Ces facteurs entraînent collectivement un ralentissement de la cinétique, et leurs effets combinés rendent le problème plus difficile à résoudre

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Étude de cas :

Pour tester notre modèle par analyse thermique de batteries fonctionnant dans des conditions météorologiques sévères telles que -40°C, les étapes suivantes ont été réalisées et les résultats sont présentés :

1. Définition des paramètres de test :
   • Définition des aspects spécifiques de la performance thermique, en tenant compte de la température extrêmement basse (-40°C) ; nous avons identifié les limites de température critiques ou les critères de performance que les batteries doivent respecter dans ces conditions météorologiques sévères.
2. Modélisation informatique :
   • À l'aide d'un logiciel d'analyse thermique capable de simuler le comportement thermique de la batterie dans des conditions de froid extrême, un modèle virtuel détaillé du système de batterie est créé, prenant en compte sa géométrie, ses matériaux et ses composants internes, en veillant à ce que le modèle représente fidèlement les caractéristiques physiques des batteries.
   • Les conditions aux limites, notamment la température ambiante fixée à -40°C, les taux de génération de chaleur, la conductivité thermique et les capacités thermiques spécifiques des matériaux concernés ont été définies, et des simulations ont été réalisées.

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3. Essais expérimentaux (méthode facultative) :
   • Envisager de réaliser des essais expérimentaux dans des chambres froides afin de valider les résultats obtenus par modélisation informatique, à l'aide de thermocouples ou d'autres dispositifs de mesure de température pour surveiller la température de la batterie pendant les essais et évaluer sa performance, sa capacité et sa stabilité
   • Comparer les résultats expérimentaux aux résultats de simulation afin de valider la précision du modèle informatique.