Qu’est-ce que le stockage d’énergie par batteries et comment l’analyser ?
Présentation du pack de batteries de stockage d'énergie
Un pack de batteries de stockage d'énergie, également appelé module de batterie ou pack de batteries, est constitué de plusieurs cellules individuelles connectées en série et/ou en parallèle, intégrées à un système de gestion de batterie (BMS) et à des dispositifs de protection pour former une unité de stockage d'énergie rechargeable indépendante.
Dans le secteur des énergies renouvelables, comme le solaire et l'éolien, l'intermittence de la production d'électricité nécessite des systèmes de stockage d'énergie par batteries pour emmagasiner l'électricité excédentaire et la restituer en cas de besoin, garantissant ainsi une alimentation électrique stable. Avec le développement rapide des énergies renouvelables, la demande en systèmes de stockage d'énergie ne cesse d'augmenter. Par exemple, dans les grandes centrales solaires, un système de stockage par batteries peut stocker plusieurs mégawattheures d'électricité afin de contribuer à la stabilité du réseau.
Dans l'industrie des véhicules électriques (VE), les systèmes de stockage d'énergie constituent la principale source d'énergie, déterminant l'autonomie et les performances du véhicule. Les batteries lithium-ion sont actuellement privilégiées pour l'alimentation des VE en raison de leur haute densité énergétique et de leur longue durée de vie. Les systèmes de stockage d'énergie haut de gamme pour VE peuvent dépasser 100 kWh, permettant une autonomie largement supérieure à 500 km.
En résumé, les systèmes de stockage d'énergie par batteries jouent un rôle crucial dans les énergies renouvelables et les véhicules électriques. Ils améliorent l'efficacité énergétique, réduisent la dépendance aux énergies fossiles et contribuent activement au développement durable.
1. Considérations de conception et analyse de cas
1.1 Principales considérations de conception
1.1.1 Conception antidéflagrante avec évents en polyuréthane pour une décompression rapide
Lorsqu'une batterie au lithium subit un emballement thermique, la pression interne augmente brusquement, engendrant des risques d'explosion. Les évents antidéflagrants PUW permettent une décompression rapide afin d'éviter des dommages catastrophiques. Dans de nombreux projets de stockage d'énergie, les batteries équipées d'évents PUW ont permis d'éviter les explosions lors d'emballements thermiques, garantissant ainsi la sécurité du personnel et des équipements.
1.1.2 Maintien de l'équilibre des pressions interne et externe pour garantir la fiabilité
Les fluctuations de température lors des cycles de charge/décharge entraînent des variations de pression à l'intérieur du pack. Les valves PUW assurent la ventilation tout en empêchant les infiltrations d'eau, maintenant ainsi la pression interne égale à la pression ambiante. Les packs conçus avec cette caractéristique présentent une dégradation des performances réduite et une stabilité à long terme améliorée.
1.1.3 Conception du système de gestion de la batterie assurant une protection contre la surcharge et la décharge excessive
Un système de gestion de batterie (BMS) bien conçu est essentiel pour la sécurité, la surveillance et l'optimisation des performances. Il contrôle la surcharge, la décharge excessive, la surchauffe, la précision des mesures et l'équilibrage des cellules. Les BMS de conception avancée gèrent avec précision les procédures de charge/décharge, minimisant ainsi les risques.
1.1.4 Conception mécanique prenant en compte la résistance, la résistance aux vibrations et la gestion thermique
Les principaux critères mécaniques à prendre en compte sont la robustesse, la résistance aux vibrations, la dissipation thermique, l'étanchéité et la protection contre la poussière. L'utilisation de matériaux haute résistance et de structures optimisées garantit la durabilité face aux contraintes extérieures, tandis qu'une meilleure dissipation de la chaleur prolonge la durée de vie et améliore les performances de la batterie.
1.1.5 Conception étanche et anti-vibration pour prévenir les dommages structurels internes
Les cellules au lithium immergées dans un liquide peuvent se court-circuiter, entraînant une décharge continue et des dommages internes. La conception des packs doit garantir une étanchéité adéquate (indice IP) et une résistance aux vibrations, notamment dans les environnements difficiles tels que les zones sismiques ou les installations extérieures.
1.1.6 Gestion de la température pour optimiser les performances et la durée de vie
La température est un facteur déterminant pour la structure et les performances des batteries. Une chaleur excessive a un impact sur la résistance interne, la tension, l'état de charge (SOC), la capacité disponible, le rendement et la durée de vie. Une gestion thermique efficace, par exemple par refroidissement par air ou par liquide, permet de maintenir des températures de fonctionnement optimales.
1.1.7 Choix des matériaux assurant une isolation haute tension et une résistance structurelle
L'isolation et la résistance mécanique sont essentielles. Les matériaux en nylon renforcés de 5 % à 45 % de fibres de verre offrent une résistance à la traction et aux vibrations améliorée, garantissant un fonctionnement sûr à haute tension et une fiabilité structurelle.
1.2 Études de cas
1.2.1 Conception de la plaque de refroidissement liquide — caractéristiques et sélection
Les plaques de refroidissement liquide sont essentielles à la gestion thermique. Différents types présentent des compromis entre performance et coût. Les applications hautes performances peuvent nécessiter des plaques de refroidissement haut de gamme, tandis que les applications plus économiques peuvent opter pour des solutions plus simples.
1.2.2 Analyse de la conception du module de stockage d'énergie LG et du PACK
Les conceptions de LG se caractérisent par une nette distinction entre les cellules à stockage d'énergie et les cellules à stockage de puissance. Sur le plan structurel, LG utilise des petits modules standardisés empilés pour former des modules plus grands, offrant ainsi flexibilité et évolutivité pour différents systèmes de stockage d'énergie.
1.2.3 Simulation et recherche expérimentale sur la conception thermique des PACK
La recherche avancée associe simulation thermique et expérimentations physiques pour optimiser la conception thermique des packs d'accumulateurs. Les approches d'optimisation multi-objectifs prennent en compte la sécurité, les performances et le coût, permettant ainsi d'améliorer l'uniformité thermique et la fiabilité du système.
2. Composants et paramètres techniques
2.1 Composants principaux
2.1.1 Cellules unitaires — unités de stockage d'énergie
Les types de cellules les plus courants sont les batteries lithium-ion, plomb-acide et nickel-métal hydrure (NiMH). Les batteries lithium-ion dominent le marché grâce à leur haute densité énergétique et leur longue durée de vie. Les batteries plomb-acide restent une option viable pour les applications à faible coût. Les batteries NiMH sont prisées dans certains secteurs exigeants en matière de sécurité.
2.1.2
Système de gestion de batterie (BMS)
—surveillance et protection
Le système de gestion de batterie (BMS) surveille la tension, le courant et la température, contrôle la charge et la décharge, prévient la surcharge, la décharge excessive et la surcharge, et assure l'équilibrage. Il permet également la surveillance à distance et la communication avec des systèmes externes.
2.1.3 Système de gestion thermique — maintien d'une température optimale
Les systèmes thermiques (refroidissement par air, refroidissement liquide) assurent l'homogénéité de la température du pack. Le refroidissement liquide est privilégié pour le stockage d'énergie haute puissance en raison de son efficacité supérieure. Une différence de température ≤ 5 °C est généralement requise.
2.1.4 Système électrique — transport et distribution d'énergie
Le faisceau électrique comprend des câbles haute tension et basse tension. Les câbles haute tension jouent le rôle des « artères » du PACK, tandis que les faisceaux basse tension constituent son « système nerveux », transmettant les signaux et les commandes.
2.1.5 Enceinte et structure porteuse — protection et support
Le boîtier protège les composants des chocs mécaniques, des vibrations, de l'eau et de la poussière. La structure interne assure l'intégrité structurelle et maintient tous les composants en place en toute sécurité.
2.2 Paramètres techniques
2.2.1 Capacité — mesure de l'énergie stockée
Mesurée en Ah ou en kWh. Une capacité plus élevée signifie une plus grande quantité d'énergie stockée. Exemple : une batterie de 100 kWh peut alimenter une maison pendant plusieurs jours.
2.2.2 Densité énergétique – indicateur de performance
Une densité énergétique plus élevée se traduit par des performances supérieures et un poids/volume réduits. Les cellules lithium-ion de haute qualité dépassent 200 Wh/kg.
2.2.3 Rendement de charge/décharge — rendement de conversion d'énergie
Les batteries lithium-ion atteignent généralement un rendement supérieur à 90 %. Un rendement plus élevé réduit les pertes d'énergie et les coûts d'exploitation.
2.2.4 Durée de vie du cycle – longévité du service
Les batteries lithium haut de gamme offrent des milliers, voire des dizaines de milliers de cycles selon leur composition chimique et leur application.
2.2.5 Sécurité — protection et gestion thermique
La sécurité inclut la protection contre les surcharges, les décharges excessives, les courts-circuits et l'emballement thermique. Certains groupes électrogènes intègrent des systèmes d'extinction d'incendie utilisant par exemple l'agent extincteur FK-6.
3. Processus de conception et méthodes analytiques
3.1 Processus de conception
3.1.1 Sélection et classification des cellules
Les cellules doivent être testées et classées selon leur homogénéité en termes de capacité, de résistance interne et de tension. D'après les statistiques, le test et le classement d'un grand nombre de cellules permettent de garantir une homogénéité de performance et de qualité supérieure à 98 %. Après le classement de la capacité de la batterie par
machine de calibrage des cellules lithium-ion
et la tension et la résistance interne de la batterie sont graduées par
machine de tri des cellules au lithium
Les cellules de la batterie peuvent être classées et stockées selon différents niveaux de performance, en vue des opérations d'assemblage ultérieures.
3.1.2 Assemblage et connexion des cellules
Les cellules sont assemblées par soudage ou par compression. Le soudage laser est largement utilisé pour sa précision, sa zone affectée thermiquement réduite, sa faible résistance et son aptitude au soudage multi-matériaux.
3.1.3 Intégration au système de gestion technique du bâtiment (GTB)
L'intégration du système de gestion de batterie (BMS) garantit la surveillance, la communication, l'équilibrage et la protection. Un étalonnage et des tests appropriés sont essentiels à la fiabilité du pack.
3.1.4 Étanchéité du boîtier et considérations thermiques
Les boîtiers, souvent en alliage d'aluminium, doivent présenter une bonne résistance mécanique, une dissipation thermique efficace et une protection contre les intempéries. Un montage approprié prévient les vibrations et garantit un fonctionnement stable.
3.1.5 Tests du système et contrôle de la qualité
Les tests comprennent des essais de performance, de capacité, de durée de vie et de sécurité (surcharge, court-circuit, impact). Des tests rigoureux garantissent la conformité aux spécifications de conception.
3.2 Méthodes analytiques
3.2.1 Comprendre la définition du PACK
Un pack est constitué de plusieurs cellules connectées en série/parallèle et intégrant des systèmes mécaniques, thermiques et électriques. Les technologies clés comprennent la conception de la structure, le procédé de soudage, l'indice de protection et le refroidissement actif.
3.2.2 Comprendre les composants PACK
Les composants comprennent des modules de cellules, des systèmes électriques, la gestion thermique, un boîtier et un système de gestion de batterie (BMS) — chacun remplissant des fonctions essentielles analogues à celles du cœur, des nerfs, du squelette et du cerveau humains.
3.2.3 Compréhension des caractéristiques et des exigences de conception du PACK
Les batteries nécessitent une grande homogénéité des cellules, une correspondance tension/capacité adéquate, une charge équilibrée et une surveillance du courant, de la tension et de la température.
3.2.4 Configuration et méthodes de fabrication des emballages
Le montage en série augmente la tension, le montage en parallèle augmente la capacité. Les méthodes de soudage courantes comprennent le soudage laser, le soudage par ultrasons, le soudage par impulsion et le contact élastique métallique. Les modèles tels que 1P24S représentent 24 cellules en série et 1 en parallèle.
3.2.5 Comprendre les spécifications de performance du PACK
Tension nominale = tension de la cellule × nombre de cellules en série.
Énergie nominale = capacité × tension.
La durée de vie et l'efficacité du cycle déterminent les performances à long terme.
Les dispositifs de sécurité comprennent des protections et une gestion thermique.
Dans un contexte de transition énergétique mondiale vers les énergies propres, les batteries de stockage d'énergie sont devenues un pilier essentiel des réseaux électriques de demain. Face à l'expansion rapide des capacités de production d'énergies renouvelables et à la popularité croissante des véhicules électriques, la demande en solutions de stockage d'énergie explose. Les applications se diversifient rapidement – de l'écrêtement des pointes de consommation pour les entreprises et les particuliers à la régulation de la fréquence du réseau et à l'alimentation de secours – augurant ainsi d'un avenir particulièrement prometteur pour ce secteur.
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