Fondamentaux des performances des batteries : paramètres essentiels et leurs interactions

Capacité de la batterie (mAh) : mesure de la puissance de la batterie

1. Définition et essence

La capacité de la batterie s'exprime en milliampères-heures (mAh), ce qui correspond au produit du courant (en milliampères, mA) par le temps (en heures, h). Par exemple, une batterie de 1000 mAh signifie :

Une décharge à 1000 mA (1 A) peut durer 1 heure ;

Une décharge à 500 mA peut durer 2 heures.

En réalité : le mAh mesure la quantité totale de charge qu'une batterie peut stocker, indépendamment de la tension, comme la « capacité en eau » d'un seau.

2. Idée erronée courante : Un mAh élevé ≠ Une autonomie prolongée

Idée erronée : Penser qu'une batterie de 5000 mAh durera forcément plus longtemps qu'une batterie de 3000 mAh.

La vérité : L'autonomie de la batterie dépend de l'énergie (Wh), et pas seulement de la capacité.

 

Densité énergétique (Wh/kg) : l'indicateur clé de la portabilité

1. Définition et importance

La densité énergétique désigne la quantité d'énergie stockée par unité de poids d'une batterie (Wh/kg), et constitue un paramètre essentiel pour mesurer la capacité de la batterie à « s'affiner » :

Densité énergétique volumique (Wh/L) : influence l'épaisseur de l'appareil (comme les batteries de téléphones portables) ;

Densité énergétique massique (Wh/kg) : détermine l'allègement de l'équipement (comme l'autonomie des véhicules électriques).

2. Comparaison des densités énergétiques selon les différentes technologies.

Type de batterie	Densité énergétique massique (Wh/kg)	Applications Typiques
Batterie au plomb	50-70	Batterie de démarrage pour véhicules électriques
Batterie au phosphate de fer de lithium	140-200	Centrales électriques de stockage d'énergie, véhicules commerciaux
Batterie lithium ternaire	250-350	Véhicules électriques, téléphones mobiles haut de gamme
Batterie au lithium solide	350-500 (en développement)	Véhicules électriques de nouvelle génération et drones

3. Le double tranchant de la densité énergétique

Avantages : Lorsque la densité énergétique des batteries lithium-ion ternaires atteint 300 Wh/kg, l'autonomie des véhicules électriques peut dépasser 600 km ;

Défi : Pour chaque augmentation de 10 % de la densité énergétique, le risque de défaillance thermique augmente de 15 %, ce qui nécessite un système de contrôle de température plus complexe.

 

Courbes de charge et de décharge : le « électrocardiogramme » des performances de la batterie

1. Le code électrochimique derrière la courbe

La courbe de charge et de décharge reflète la loi de variation de la tension de la batterie en fonction de la puissance, avec des caractéristiques typiques :

Phase de charge :

Charge à courant constant (la tension augmente rapidement) ;

Charge à tension constante (le courant diminue progressivement, la tension atteint un plateau).

Phase de décharge :

La tension chute d'abord rapidement, entre ensuite dans une période stable de plateau, puis chute brusquement jusqu'à la tension de coupure.

 

2. Analyse des paramètres clés

Plateau de tension : La plage dans laquelle la tension reste stable pendant la décharge. Plus le plateau est élevé et long, meilleure est la performance de la batterie.

Exemple : le plateau de décharge d'une batterie au phosphate de fer et de lithium est de 3,2 V, tandis que celui d'une batterie lithium-ion ternaire est de 3,7 V, cette dernière possédant une énergie plus élevée.

Phénomène de polarisation : La tension chute plus rapidement lors d'une décharge à fort courant (par exemple, la tension chute de 0,5 V de plus lors d'une décharge à 10C comparée à une décharge à 1C) en raison de l'augmentation des pertes liées à la résistance interne.

3. Relation entre la courbe et les scénarios d'utilisation

Accélération des véhicules électriques : nécessite une décharge à fort courant (5-10C), et requiert une plateforme de courbe peu abrupte (faible fluctuation de tension) ;

Régulation de pointe du stockage d'énergie : décharge à faible courant pendant une longue période (inférieur à 0,5C), la stabilité de la plateforme est plus importante.

 

Durée de vie en cycles : un indicateur de la durabilité de la batterie

1. Définition et normes

La durée de vie en cycles fait référence au nombre de cycles complets allant de la charge complète à la décharge totale (DOD=100 %), puis à la charge complète, jusqu'à ce que la capacité diminue à 80 % de la valeur nominale.

Données typiques :

Batterie lithium-ion ternaire : 1000 cycles (DOD=100 %) ;

Batterie lithium-fer-phosphate : 3000 cycles (DOD=100 %) ;

Batterie au plomb : 500 cycles (DOD=80 %).

2. Les « Quatre tueurs » affectant la durée de vie en cycles

Surcharge et décharge excessive : une charge supérieure à 4,3 V ou une décharge inférieure à 2,5 V causera des dommages permanents à la structure des électrodes ;

Environnement à haute température : un stockage à 60 °C pendant 1 mois réduit la durée de vie en cycles de 50 % ;

Charge et décharge à fort courant : une charge rapide à 10 C réduit le nombre de cycles de 30 % par rapport à une charge rapide à 0,5 C ;

Stockage prolongé en charge complète : lorsqu'une batterie lithium-ion est stockée en charge complète pendant un mois, sa capacité diminue de 5 %.

3. La règle d'or pour prolonger la durée de vie

Charge et décharge superficielles : maintenez le SOC entre 20 % et 80 % pour une utilisation quotidienne (par exemple, rechargez votre téléphone lorsque la batterie atteint 20 %).

Évitez les hautes températures : évitez l'exposition directe au soleil lors de la recharge de votre véhicule électrique. Lorsque la température à l'intérieur du véhicule dépasse 60 °C en été, la durée de vie de la batterie diminue rapidement.

Charge et décharge profondes régulières : effectuez une charge complète suivie d'une décharge complète tous les 3 mois afin de recalibrer l'affichage de la puissance du BMS.

 

L'effet « d'entraînement » des paramètres essentiels

1. Le compromis entre densité d'énergie et durée de vie en cycle

Les batteries au lithium ternaires ont une haute densité d'énergie mais une durée de vie en cycle courte, ce qui les rend adaptées aux véhicules électriques nécessitant une plus grande autonomie.

Les batteries au phosphate de fer et lithium ont une longue durée de vie en cycle mais une faible densité d'énergie, ce qui les rend plus adaptées aux centrales de stockage d'énergie (qui nécessitent des charges et décharges fréquentes).

2. L'interaction entre capacité et courbes de charge/décharge

Les batteries à haute capacité (telles que 5000 mAh) ont généralement une résistance interne plus élevée, et le niveau de tension diminue plus fortement pendant la décharge à fort courant ;

À capacité égale, les batteries avec un niveau de tension plus élevé (tel que 3,7 V par rapport à 3,2 V) ont une énergie plus importante, mais peuvent entraîner des pertes par polarisation plus élevées.