Le secret de la technologie de la structure des batteries des véhicules électriques

Batterie

Un bloc-batterie est généralement composé d'un module de batterie, d'un système de gestion thermique, d'un système de gestion de la batterie (BMS), d'un système électrique et d'éléments structurels.

Module de batterie

Le module de batterie peut être considéré comme le produit intermédiaire entre la cellule de batterie et le pack formé après la combinaison de cellules lithium-ion en série et en parallèle, et l'ajout d'un dispositif unique de contrôle et de gestion de la batterie. Sa structure doit supporter, fixer et protéger le cœur de la batterie. Sa composition de base comprend

Le module de contrôle (communément appelé BMS), les cellules de la batterie, les connecteurs conducteurs, le cadre en plastique, la plaque froide, les tuyaux de refroidissement, les plaques de pression aux deux extrémités et un ensemble d'attaches qui maintiennent ces composants ensemble. En plus de rassembler les cellules individuelles et de fournir une certaine pression, les plaques de pression aux deux extrémités sont souvent conçues sur la structure fixe du module dans le bloc-batterie.

Le module est conçu pour faciliter la gestion de la batterie par le BMS, améliorer la sécurité de la batterie et faciliter la maintenance et la réparation.

Cellule de batterie

La cellule de la batterie est principalement composée d'une cathode, d'une anode, d'un séparateur et d'un électrolyte. Le principe de fonctionnement principal consiste à réaliser la charge et la décharge par la migration des ions lithium entre la cathode et l'anode. Le processus de charge nécessite une énergie externe, c'est-à-dire l'énergie du réseau, ce qui équivaut à stocker l'énergie du réseau dans la batterie. Le processus de décharge peut s'effectuer spontanément, ce qui libère l'énergie stockée.

Les batteries de tramway au lithium sont principalement divisées en trois catégories en fonction du système de matériaux : oxyde de manganèse lithium, pile ternaire au lithiumet le phosphate de fer lithié. Ces trois types de piles ont leurs propres avantages et inconvénients, et ont également des applications différentes sur le marché.

Oxyde de lithium et de manganèse : Les performances à haute température, les performances de cycle et les performances de stockage sont médiocres. Le manganèse se décompose facilement à haute température et la durée de vie de la batterie est courte et difficile à stocker.

Batterie ternaire au lithium : Les températures élevées et basses, le cycle, la sécurité, le stockage et les performances électriques de chaque article sont relativement moyens. L'énergie spécifique du volume est élevée, le prix des matériaux est modéré et les performances sont stables.

Phosphate de lithium et de fer : Bonne performance en matière de sécurité, faible conductivité, faible énergie spécifique de volume. Toutefois, le coût des matériaux est élevé et les performances à basse température sont médiocres, ce qui ne permet pas de répondre aux besoins des véhicules électriques en hiver.

Introduction au BMS

Le BMS est un système de gestion de la batterie, un système qui surveille et gère les batteries. Grâce à la collecte et au calcul de paramètres tels que la tension, le courant, la température et l'état de charge, il contrôle ensuite le processus de charge et de décharge de la batterie, assure la protection de la batterie et améliore le système de gestion de l'ensemble des performances de la batterie. Il s'agit d'un lien important entre la batterie d'alimentation du véhicule et les véhicules électriques.

Le BMS a trois fonctions principales :

● En mesurant l'état de charge de la batterie électrique, la puissance restante est fournie au conducteur, de manière à lui rappeler de charger la batterie électrique à temps ;

● La seconde consiste à surveiller et à gérer la température de la batterie, à détecter la température de la batterie lorsqu'elle fonctionne et à utiliser un ventilateur ou un dissipateur de chaleur pour que la batterie fonctionne dans les meilleures conditions ;

● La dernière consiste à réaliser la gestion équilibrée de la batterie. En raison de l'erreur de fabrication en usine, ou de la différence de ventilation pendant l'utilisation, et la conversion des performances électrochimiques est différente, la tension de la batterie et la puissance restante sont détectées pour éviter la surcharge.

Dans le processus de développement du BMS, l'analyse des risques du BMS comprend des événements dangereux tels que la surtension (surcharge), la sous-tension, la surchauffe et la surintensité. Par exemple, la surtension peut être un événement relativement grave, en particulier la surcharge de la batterie pendant une longue période entraînera une dégradation des performances de la batterie et des dommages irréversibles, voire une déformation et une fuite de la batterie.

L'objectif de la conception de la sécurité du système BMS est donc de pouvoir détecter à temps la surcharge de la batterie et, par le biais d'une analyse et d'une évaluation raisonnables des risques, d'envisager la conception de mécanismes de sécurité sous l'angle d'une défaillance ponctuelle et d'une défaillance potentielle, et enfin de procéder à un traitement approprié en temps opportun.

Tendances de développement des batteries

Batterie sans cobalt

Le nom complet de la batterie ternaire au lithium est batterie ternaire au lithium polymère, qui se réfère à une batterie au lithium dans laquelle le matériau de cathode utilise un matériau de cathode ternaire nickel-cobalt-lithium-oxyde de manganèse (NCM) ou nickel-cobalt-aluminate de lithium (NCA). Parmi eux, le cobalt, qui est principalement utilisé pour stabiliser la structure en couches des matériaux et améliorer le cycle des matériaux et les performances, est un métal noble indispensable dans les batteries ternaires.

Pendant longtemps, la fluctuation du prix du cobalt a fortement affecté le prix des matériaux ternaires. Cependant, plus de la moitié du cobalt mondial est produit au Congo (Kinshasa), et la concentration excessive des ressources a également exacerbé la vulnérabilité de la chaîne d'approvisionnement mondiale en cobalt.

Le problème du coût a toujours été une pierre d'achoppement pour le développement du marché des véhicules électriques, et on a toujours espéré que la batterie d'alimentation, qui est le coût principal, réduise le coût dès que possible. Après avoir réduit la proportion et la teneur en cobalt des batteries ternaires au lithium, le coût de l'ensemble du véhicule sera réduit en conséquence, et l'impact des fluctuations du prix du cobalt sur les entreprises sera également affaibli, ce qui contribuera à promouvoir le développement du marché des véhicules électriques.

Batterie à semi-conducteurs

Batterie à semi-conducteurs est un type de technologie de batterie. Contrairement aux batteries lithium-ion et aux batteries lithium-ion-polymère couramment utilisées aujourd'hui, une batterie à l'état solide est une batterie qui utilise des électrodes et des électrolytes solides.

La communauté scientifique estimant que les batteries au lithium-ion ont atteint leurs limites, les batteries à l'état solide ont été considérées comme des batteries pouvant hériter du statut des batteries au lithium-ion au cours des dernières années. La technologie des batteries au lithium à l'état solide utilise un composé de verre composé de lithium et de sodium comme substance conductrice pour remplacer l'électrolyte de l'ancienne batterie au lithium et augmenter considérablement la densité énergétique de la batterie au lithium.

Les électrolytes solides ont une fenêtre de stabilité électrochimique élevée et peuvent être utilisés avec des matériaux d'électrodes à haute tension pour augmenter la densité énergétique des batteries.

Batterie de lame

La batterie à lame est un tout nouveau concept. Tout en utilisant des batteries longues, elle permet d'économiser la liaison de module intermédiaire et d'installer directement les batteries dans le système de batterie. De cette manière, le poids et le coût sont effectivement réduits, ce qui est similaire au CTP de CATL.

Parallèlement, la structure de la batterie de BYD s'inspire du principe des plaques d'aluminium en nid d'abeille et utilise une colle structurelle pour fixer les cellules de la batterie entre les deux couches de plaques d'aluminium, ce qui permet aux cellules de la batterie elles-mêmes d'agir comme des composants structurels pour augmenter la résistance de l'ensemble du système.

CTP ou CTC

La technologie CTP est appelée Cell To Pack. En supprimant la conception des modules, les cellules de la batterie sont directement intégrées dans un bloc-batterie, et ce dernier est intégré dans le plancher de la carrosserie en tant que partie intégrante de la structure du véhicule.

Cette méthode permet de réduire les plaques latérales, les plaques d'extrémité (éléments structurels du module) du module lui-même, ainsi que les poutres, les poutres longitudinales et les autres matériaux utilisés à l'origine pour séparer les modules et faciliter leur connexion. L'ensemble de la structure de la batterie est grandement simplifié, l'espace est libéré, la capacité du bloc-batterie de même taille est augmentée et la masse du bloc-batterie est réduite, ce qui conduit à une augmentation de la densité énergétique de la batterie et à une réduction du coût.

Batterie à lame BYD vs CATL CTP

Le nom complet de la technologie CTC est Cell to Chassis (de la cellule au châssis). Cette technologie intègre la cellule de la batterie et le châssis, puis le moteur, la commande électronique et la haute tension du véhicule (DC/DC, OBC, etc.) au moyen d'une architecture innovante, et optimise la distribution de l'énergie et réduit la consommation d'énergie grâce à un contrôleur intelligent du domaine de puissance. Le CTC permettra au coût des véhicules à énergie nouvelle de concurrencer directement celui des véhicules à carburant, avec un plus grand nombre de places assises et une meilleure praticabilité du châssis.

D'une certaine manière, le CTC peut être considéré comme une extension du CTP. Son objectif principal est d'économiser le module et le processus d'emballage, et d'intégrer directement les cellules de la batterie dans le châssis de la voiture afin d'atteindre un degré d'intégration plus élevé.

Technologie traditionnelle vs CTP vs CTC

L'émergence du CTC permettra de dépasser les limites du PACK et d'impliquer directement le châssis de la voiture. Il s'agit de l'élément central le plus critique du véhicule, et c'est l'avantage principal accumulé par les constructeurs automobiles grâce à un développement à long terme. Il est difficile pour les fabricants de batteries et les fabricants professionnels de PACK de se développer indépendamment les uns des autres. C'est pourquoi certains fournisseurs de batteries commencent à planifier le développement du châssis.