La résistance interne est votre ennemi !

La résistance interne est votre ennemi !

La résistance interne (IR) est une caractéristique d’une cellule de batterie qui est souvent négligée. C’est en fait l’une des caractéristiques les plus importantes.

Pourquoi est-ce important?

Quel est l’impact d’avoir des cellules avec une résistance interne différente?

Dans cet article nous allons couvrir un peu de théorie et traduire les résultats en impacts pratiques.

 

 

La théorie

La résistance interne (IR) d’une batterie est un système complexe composé de différents facteurs. Pour simplifier représentons une batterie comme une source de tension pure en série avec une résistance.

 

Plusieurs facteurs ont une influence sur la résistance interne (IR) :

–       la capacité de la cellule (C)

–       l’état de charge (SoC)

–       la température

–       l’état de santé de la cellule (SoH)

–       la technologie de la cellule

–       le courant traversant la cellule.

La résistance interne typique pour une cellule de 100 Ah est inférieure à 0.6 milliohm et inférieure à 0.4 milliohm pour les cellules supérieures à 300 Ah (données Winston). Il existe des écarts importants selon la technologie des cellules et le processus de fabrication.

 

La plupart des BMS utilisent des algorithmes pour estimer la résistance interne. Bien que la mesure qu’ils donnent soit différente de la spécification du fabricant, ces estimations sont cohérentes dans le temps et peuvent être utilisées pour quantifier le vieillissement des batteries.

 

Impacts de la résistance interne

Une résistance interne élevée des cellules a deux impacts majeurs :

 

Plus d’énergie est dissipée lors de la charge ou de la décharge

En effet, plus une résistance est importante, plus le courant qui passe à travers va générer un échauffement et donc une dissipation d’énergie sous forme de chaleur. Cette énergie est considérée comme perdue car elle ne pourra pas être utilisée pour l’usage auquel elle était initialement destinée (charger la batterie ou alimenter des équipements).

 

Les tensions de charge et de décharge efficaces sont réduites

On peut schématiser ce type de système sous la forme d’un cours d’eau dont nous pouvons contrôler le sens d’écoulement (charge / décharge). D’un côté de ce cours d’eau se trouve ce qui est externe à la batterie et de l’autre côté ce qui est interne à la batterie.

 

 

Entre ces deux environnements on peut représenter la résistance interne comme un obstacle s’opposant au bon écoulement de l’eau dans un sens ou dans l’autre. Plus cet obstacle va être important, plus on observera une différence d’écoulement (chute de tension) entre l’amont et l’aval de l’obstacle.

 

  • Charge: Plus la résistance interne est forte, plus elle dissipe de l’énergie, plus la chute de tension correspondante (Vir) est importante.

 

La tension mesurée aux bornes de la batterie (V) est supérieure à la tension de charge réelle (effective) de la cellule.

  • Décharge: Plus la résistance interne est forte, plus elle dissipe de l’énergie, plus la chute de tension correspondante (Vir) est importante.

 

 

La tension mesurée aux bornes de la batterie (V) est inférieure à la tension de charge réelle (effective) de la cellule.

 

En pratique ça donne quoi ?

  • Pour éviter trop de chaleur, le courant de charge / décharge continue doit être plus faible pour les cellules avec une résistance interne plus élevée.
  • Sous le même courant de charge / décharge, la cellule avec une résistance interne plus élevée se réchauffera, vieillira plus vite (ce qui augmentera encore plus sa résistance interne) et entrera dans une spirale mortelle.

 

Quelles précautions prendre pour éviter ce genre de problème ?

Lors de l’achat de cellules de batterie au lithium, vous devez vérifier et comparer la résistance interne ainsi que toutes les autres caractéristiques spécifiées par les fabricants.

Vous pouvez également vérifier le courant continu maximum recommandé par le fabricant car il sera plus bas pour les cellules à haute résistance interne (en supposant que le fabricant soit réputé et fournisse des données mesurées réelles).

 

Pack composé de cellules avec différentes résistances internes

Si les cellules d’un pack ont une résistance interne différente, le courant aura une distribution inégale entre les cellules en parallèle et la tension aura une distribution inégale entre les cellules en série. Cela se traduira par:

  • Les cellules ne se chargent pas et ne se déchargent pas au même rythme, créant ainsi un déséquilibre des cellules. (Cf. article « Pourquoi équilibrer vos cellules lithium ? »)
  • La capacité du pack batterie est réduite.
  • Le vieillissement de certaines cellules sera plus rapide.

 

La résistance interne d’une cellule n’est pas un paramètre directement contrôlé dans le processus de fabrication mais est le résultat d’un certain nombre de matières premières et de paramètres de fabrication. On s’attend donc à voir des variances de résistance interne importantes entre les cellules (certains articles de recherche mentionnent des variances de 20% ou plus).

 

Il est également important d’interconnecter soigneusement les cellules afin de réduire chaque résistance de connexion. La résistance d’interconnexion a les mêmes effets que la résistance interne de la cellule.

 

«Une différence de 20% de la résistance interne des cellules entre deux cellules fonctionnant en parallèle peut conduire à une réduction d’environ 40% de la durée de vie par rapport à deux cellules avec une résistance interne très similaire »

 

“Adaptation de la résistance interne des cellules lithium-ion connectées en parallèle et impact sur la durée de vie du bloc-batterie”

 

Journal of Power Sources 252: 8-13 – Avril 2014

Une cellule unique avec une résistance interne significativement différent des autres cellules peut réduire considérablement la durée de vie d’un pack batteries.

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