Sécurité et performances des batteries haute tension

Batterie haute tension sur mesure pour grue à chenilles hybride destinée au secteur de la construction. (Photo : Flash Battery)

La part croissante des modèles électrifiés sur le marché des véhicules industriels s'étend désormais à des machines plus grandes et plus puissantes. La satisfaction de la demande énergétique accrue des modèles de ce segment a été favorisée par une série d'avancées technologiques dans le domaine des batteries au lithium, et notamment des batteries lithium haute tension.

Le quoi et le pourquoi

Pour les applications industrielles et tout-terrain, les batteries basse tension sont généralement définies comme des unités jusqu'à 102,4 V nominal. Ceci, malgré la réglementation qui définit les batteries basse tension à 60 V. Les batteries haute tension démarrent à 300 V et peuvent fournir plus de 800 V.

Flash Battery a expliqué que le coût d'une batterie basse tension est inférieur à celui d'une solution haute tension, car les composants des modèles basse tension sont faciles à trouver et ne nécessitent pas de composants améliorés nécessaires pour gérer des courants plus élevés, tels que des connecteurs dédiés ou des dispositifs de sécurité.

Cependant, une solution basse tension est tout simplement inadaptée à un système haute puissance. Cela est dû en grande partie à la puissance de sortie du moteur électrique, qui influence directement le choix de la tension ; dans les applications industrielles et tout-terrain, les moteurs de plus de 20 ou 30 kW nécessitent une tension plus élevée pour être compacts et fonctionner efficacement.

Flash Battery a indiqué que certains constructeurs restent sceptiques quant aux solutions haute tension, souvent par souci de sécurité. Il est toutefois important de souligner que les batteries haute tension nécessitent des mesures et des protocoles de sécurité rigoureux pour garantir la sécurité de l'opérateur et la fiabilité du système.

Le Comment

Correspondance entre la tension de la batterie et la puissance du moteur (ces tableaux présentent des paramètres génériques à titre d'exemple). (Illustrations : Batterie Flash)

Flash Battery a récemment développé une batterie de 396,8 V et 420 Ah (166,6 kWh) pour une grue hybride sur chenilles. Compte tenu de la forte demande énergétique, la solution nécessitait quatre packs de batteries en série, mais séparés en deux zones distinctes du châssis. Le système incluait un système de contrôle intégré utilisant un système de verrouillage haute tension isolé (HVIL) pour répondre aux normes de sécurité requises par les applications haute tension. Le projet a nécessité une étude mécanique pour le positionnement des batteries dans le châssis du véhicule.

Le projet reposait sur trois piliers clés : la chimie, l’assemblage intelligent et l’électronique de contrôle propriétaire avancée.

Packs de batteries

Selon Flash Battery, la chimie des cellules au ferrophosphate de lithium (LFP) est désormais considérée comme la meilleure solution pour les applications industrielles, tant pour son efficacité que pour sa sécurité. De plus, le LFP offre une longue durée de vie – plus de 4 000 cycles de charge – tout en étant la chimie la plus stable actuellement disponible.

L'assemblage des cellules de batterie est un autre aspect important de la sécurité. La capacité des cellules et, par conséquent, le nombre de cellules connectées en parallèle au sein d'un bloc-batterie sont particulièrement importants.

L'utilisation de cellules de batterie plus petites nécessite inévitablement davantage de connexions parallèles au sein du pack pour atteindre la capacité requise, mais l'augmentation du nombre de connexions augmente le risque de court-circuit. Les packs produits par Flash Battery n'utilisent pas plus de quatre cellules en parallèle : les tests ont démontré que cette conception offre la solution la plus sûre.

Appel nominal des composants

D'autres composants jouent un rôle fondamental en matière de sécurité dans une batterie haute tension. Parmi eux, on trouve des fusibles qui interrompent le courant en cas de surcharge ou de court-circuit, ainsi que des contacteurs qui peuvent couper le circuit et limiter les dommages aux composants du système.

Les composants de sécurité d'une batterie haute tension de Flash Battery, (Image : Flash Battery)

De plus, le système d'antidémarrage haute tension utilise un circuit basse tension continu pour surveiller la connexion correcte de tous les composants haute tension du véhicule. En cas d'interruption du signal HVIL, le courant haute tension est immédiatement interrompu.

Lorsqu'il s'agit de systèmes automatisés, le sectionneur mécanique de sécurité (MSD) est un dispositif manuel activé lors des opérations de maintenance pour déconnecter physiquement le circuit. Il constitue également une sécurité supplémentaire en cas d'urgence.

Outre tous ces éléments, un système électronique de contrôle intelligent est essentiel pour assurer un contrôle complet et continu de la batterie. Cela contribue à garantir des performances stables tout au long de ses cycles de charge/décharge.

Un élément clé de ce système est le BMS, qui surveille en permanence la température et la tension de chaque cellule de la batterie et déclenche le protocole requis en cas de problème de sécurité. L'importance du BMS est telle que Flash Battery a développé son propre BMS, le Flash Balancing System.

Flash Battery exploite également son Flash Data Center, un système distant qui exploite la puissance de traitement du cloud, l'apprentissage automatique et l'IA pour collecter et analyser les données en temps réel des produits Flash Battery utilisés dans le monde entier. L'analyse de ces données permet une maintenance prédictive pour une meilleure longévité.

Le Flash Data Center a été l'un des finalistes dans la catégorie Système de contrôle/Solution de surveillance de l'année au Power Progress Summit 2024.

Note de l'éditeur : cet article est paru pour la première fois dans le numéro d'octobre-décembre 2024 de Power Progress International.