Incendie et batteries au lithium: le rôle du fabricant en matière de sécurité

La transition énergétique est en cours, et les yeux sont tournés vers les batteries, un élément fondamental pour se détacher définitivement des sources d’énergie fossile et adopter l’électricité.

Cette attention à l’égard du monde des batteries a stimulé l’expérimentation en laboratoire, mais elle a également suscité l’intérêt de l’opinion publique. Et quand l’opinion publique s’intéresse à des sujets scientifiques et techniques, les idées inexactes, convictions généralisées et craintes sans fondement se répandent facilement.

Dans ce domaine, l’exemple le plus flagrant est la conviction inexacte que « les batteries lithium-ion prennent facilement feu ».

Le fabricant de batteries au lithium joue un rôle essentiel pour ce qui est de l’inflammabilité, car lors de la conception, du choix des matériaux et de la réalisation il peut largement contribuer à assurer une plus grande sécurité des batteries et donc minimiser les risques.

Quels sont les facteurs les plus importants pour assurer la sécurité d’une batterie au lithium?

Analysons à présent les facteurs qui amplifient le risque d’incendie ou d’explosion d’une batterie au lithium:

• la chimie non sécurisée
• l’assemblage inadéquat
• l’électronique inefficace
• la conception erronée

Le bon choix de la chimie

Les chimies des batteries ne possèdent pas toutes les mêmes caractéristiques. La sécurité intrinsèque de la chimie et les cycles de vie de la batterie sont les deux paramètres fondamentaux à prendre en considération lors du choix de l’aspect chimique.

Nous avons choisi la chimie LiFePo4 pour les applications industrielles et celles des véhicules électriques, car c’est la plus sûre et stable du marché et elle assure 4000 cycles de vie.

L’assemblage des cellules

L’assemblage des cellules est, après la chimie, le second élément dont dépend la sécurité de la batterie au lithium. Le principe est que plus le nombre de cellules assemblées en parallèle dans une batterie est réduit, plus la sécurité est grande.

L’électronique de la batterie

Les logiciels de gestion de la batterie (Battery Management System) permettent d’exploiter au mieux la chimie, en garantissant fiabilité et performances dans le temps.

L’électronique de contrôle (le BMS) permet de surveiller la tension et la température des différentes cellules, de dialoguer avec le véhicule qui reçoit la batterie et avec le chargeur, afin de bloquer la charge et la décharge en cas de difficulté et d’intervenir sur les télérupteurs généraux. S’il est conçu de manière attentive et minutieuse, le BMS garantit la stabilité des prestations dans le temps, prévient les anomalies éventuelles et effectue un autodiagnostic ainsi que l’entretien prédictif, en fournissant un contrôle complet du parc de batteries.

Flash Data Center est l’un des finalistes du Bauma Innovation Awards

C’est l’une des raisons pour lesquelles nous avons développé Flash Data Center, une plateforme propriétaire qui analyse chaque jour, automatiquement et à distance, tous les cycles de charge et décharge des batteries connectées. La surveillance à distance à été brevetée en Italie et est en cours d’examen pour l’obtention du brevet européen. Il s’agit d’un système si innovant, efficace et apprécié, qu’il a été désigné parmi les finalistes du Bauma Innovation Awards.

En effet, le Bauma 2022 sera la vitrine idéale du Flash Data Centre 4.0, la nouvelle version qui exploite l’intelligence artificielle et garantit l’interconnexion de tous les systèmes de Flash Battery, en s’appuyant sur des technologies d’apprentissage automatique à l’avant-garde.

Le rôle du fabricant dans la sécurité de la batterie au lithium : les choix de Flash Battery

La conception de chaque batterie est basée sur quelques éléments fondamentaux qui permettent d’assurer la sécurité à la fois des utilisateurs et des applications.

1. Respect des exigences minimum définies par les normes européennes en termes de sécurité électrique et électromagnétique.
2. L’étude mécanique garantit l’intégrité de la batterie, même lorsque des sollicitations et vibrations se produisent durant le fonctionnement normal.
3. Le fonctionnement est constamment surveillé par le système BMS et secondé par des éléments actifs et passifs tels que les fusibles et éléments de sécurité passive qui assurent sa sécurité tout au long des phases de fonctionnement.

Au fil des années, Flash Battery est parvenue à garantir la meilleure sécurité des batteries en intervenant sur les aspects que nous venons de voir: le choix de la juste chimie du lithium, le bon assemblage du pack batteries et l’électronique de contrôle propriétaire.

Travailler sur le marché industriel, aux côtés de nombreux FEO européens, nous a permis de réaliser des batteries sur mesure, en développant un concept d’efficacité et de sécurité qui s’adapte aux espaces et aux encombrements dictés par le véhicule, en offrant des tensions et capacités sur mesure, selon les exigences de travail.

Selon notre PDG Marco Righi, « un défi opposera bientôt la chimie NMC (nickel, manganèse, cobalt), la plus répandue dans le secteur automobile, à la chimie LFP (lithium, fer, phosphate) qui est en revanche la plus courante dans le domaine industriel. Lorsqu’elle est utilisée par une voiture, la batterie n’est pas exposée à une grande contrainte. Elle a besoin d’une grande capacité énergétique et d’une vitesse de recharge élevée. Les applications industrielles préfèrent en revanche adopter la chimie LFP, car elles privilégient la durée de vie de la batterie et la sécurité ».

La chimie LFP est caractérisée par une densité énergétique légèrement inférieure à celle de la chimie NMC, une recharge un peu plus lente et une gestion de l’électronique de contrôle plus complexe ; si elles sont bien gérées, ces batteries sont moins sujettes aux phénomènes de découplage.

En plus de l’adoption d’une chimie qui est aujourd’hui la plus sûre et la plus stable du marché, d’autres éléments encore font la différence lors de la réalisation des batteries au lithium :

• les systèmes de contrôle thermique
• les contrôles de l’isolement
• le BMS
• les cartes de communication pour la recharge rapide
• la surveillance à distance

Éviter la surchauffe

L’un des principaux facteurs à éviter pour assurer la sécurité d’une batterie au lithium est la surchauffe.
Il est donc très important de surveiller la température interne de la batterie. C’est justement l’une des fonctions de l’électronique de contrôle (le BMS) : surveiller la tension et la température des différentes cellules, dialoguer avec le véhicule qui reçoit la batterie et avec le chargeur, afin de bloquer la charge et la décharge en cas de difficulté et d’intervenir sur les télérupteurs généraux.

« Mais il ne suffit pas simplement de contrôler, explique A. Rossini: il faut le faire de manière efficace et aux bons emplacements. Ce qui fait la différence, c’est la manière dont le BMS, l’électronique de contrôle, fonctionne. Flash Battery a vu le jour dans le but de répondre justement aux difficultés de l’électronique, qui limitaient la fiabilité et la sécurité des batteries lithium-ion. Et c’est là notre point de départ, c’est là que nous avons plus d’expérience et c’est l’élément que nous avons le plus approfondi. La température doit être mesurée de manière diffuse, aux bons emplacements, afin de pouvoir également vérifier les résistances de contact. C’est la raison pour laquelle les batteries Flash Battery comprennent deux capteurs de température sur chaque cellule ».

L’activité de test: les essais qu’une batterie au lithium doit passer

Toutefois, une activité rigoureuse de conception et de choix du matériel n’est pas suffisante. Avant d’être lancée sur le marché, une batterie lithium-ion doit passer des tests spécifiques qui mettent sa sécurité à l’épreuve.

Les essais auxquels les batteries lithium-ion sont soumises (cellules séparées ou batteries complètes) sont de deux types : essais de sûreté (qui comprennent les tests d’abus) et essais de performances.

Essais de sécurité

La sécurité des batteries est testée en les soumettant à des conditions de fonctionnement proches de la limite déclarée (voir en-dehors de la plage normale), afin d’avoir la certitude qu’un niveau minimum de sécurité est assuré pour l’utilisateur ou le transporteur, même dans des conditions extrêmes.

Un ensemble de tests désormais standard, appelé UN38.3 (du paragraphe du « Manual of Tests and Criteria » qui détaille ses méthodes), représente une exigence de base pour le transport des batteries en tout sécurité, et il est demandé au niveau global pour le transport sur route, sur mer ou par avion.

Parmi les tests d’abus que nous effectuons afin de « stresser » les batteries et d’identifier les éventuelles améliorations, le Nail Penetration Test (test de perforation) consiste à perforer une batterie à l’aide d’un clou pour simuler un court-circuit interne.

Il s’agit évidemment de tests effectués en laboratoire, dans des conditions contrôlées et sécurisées ; les probabilités qu’une cellule subisse une pénétration lors de l’utilisation normale d’une batterie au lithium installée sur des véhicules électriques et machines industrielles sont extrêmement faibles. Nous examinons toutefois cet essai, car il simule le pire accident possible pour une cellule, le court-circuit interne qui peut survenir suite à des défauts de fabrication ou à une mauvaise utilisation.

Essais de performances

Les essais de performances permettent de tester les prestations et de comparer de manière objective les spécifications nominales des batteries à celles d’autres batteries de même type disponibles sur le marché.

Suite à la grande diffusion et à l’utilisation massive des batteries au lithium dans le secteur automobile, l’activité d’essai sur ce type d’accumulateurs a subi une forte hausse au cours de ces dernières années.

Il y a quelques années encore, les laboratoires dotés de l’équipement nécessaire pour tester les batteries de moyennes/grandes dimensions (c’est-à-dire de dimensions autres que celles des simples cellules ou que celles des dispositifs portables) n’étaient pas très répandus. Aujourd’hui, différents laboratoires ont été construits en Europe; en Italie, d’importants investissements ont permis de créer, au cours de cette année, des laboratoires adaptés à ces essais spécifiques.

Comment concilier les standards de sécurité et la personnalisation des solutions

L’une des nos caractéristiques est la personnalisation du produit. Mais personnaliser ne veut pas dire renoncer aux standards de sécurité. Travailler sur mesure, c’est garantir un standard de qualité très élevé et à ce jour nous avons réalisé plus de 500 modèles différents de batteries, en générant plus de 200MWh.

Le secret de la personnalisation de Flash Battery repose sur l’utilisation de solutions conceptuelles standardisées et de modules fonctionnels génériques. Une directive interne de conception spécifique a été développée pour chaque caractéristique de la batterie (mécanique, électrique ou électronique), afin de garantir le respect des exigences minimum en matière de sécurité pour chaque nouveau projet réalisé. À son tour, chaque projet est développé en utilisant des éléments fonctionnels de base standardisés, qui sont intégrés selon les exigences spécifiques du client pour ce qui est de la batterie.

Avant d’être mise en œuvre, standardisée et adoptée dans les directives, chaque nouvelle solution technique est testée dans nos locaux (et dans des laboratoires externes si nécessaire) afin de pouvoir garantir sa fiabilité et le respect des exigences prévues.

Choisir de compter sur des fabricants de batteries au lithium possédant le savoir-faire adéquat est donc un facteur clé pour garantir la sécurité de vos véhicules industriels. Derrière la tension, l’ampérage et la taille d’une batterie se cache un monde complexe, fait d’études, de recherche et de développement, de tests techniques et, surtout, de choix judicieux des composants et de l’électronique, des aspects qui, en plus d’influencer les performances de l’application, sont essentiels pour rendre une batterie au lithium sûre et fiable dans le temps.