19 oct. 2023

Les protections des batteries lithium : BMS, alternateurs, fusibles

Protections des batteries lithium


Les accumulateurs utilisant les technologies lithium possèdent tous un point commun : leur très faible résistance interne.
Cette faible résistance entraîne, en cas de court-circuit, des courants d'intensités énormes. Ces courants n’ont rien à voir avec ceux rencontrés en présence de pareil évènement sur des batteries au plomb et ils nécessitent des mesures de protection adaptées. Il est donc important de vérifier son installation avant de remplacer sa batterie au plomb ou AGM par une batterie lithium.

Protection des batteries

Le Battery Management System, intégré aux batteries Lithium, a pour principale mission la protection de ses modules. Un BMS possède deux fonctions distinctes.

La surveillance

La surveillance permanente de l’état (tension, température, état de charge) de chacun des modules.
Cette surveillance inclut les paramètres de tension, de courants entrants et sortants, des températures ainsi que de l’équilibrage (l’application d’une tension identique aux différents modules).

Le découplage

Le BMS est capable de découpler (déconnecter) instantanément une charge ou un chargeur si un ou plusieurs paramètres de la batterie sortent de la normalité.
Il agit ainsi en protection thermique, pour éviter l’emballement thermique mais aussi lorsque le cycle de charge est terminé.

Découpler une charge (un consommateur) n'entraîne pas de conséquences particulières et sur certains systèmes on conserve ou on ajoute un parc de batterie au plomb destiné à fournir alors de l’énergie.
Le BMS est tout aussi capable de couper un chargeur.

Les BMS les plus évolués fournissent un signal avant de procéder au découplage ce qui permet à l’utilisateur de ne pas se retrouver dans le noir dans son camping-car ou sans instruments sur son bateau !
Lorsqu’on constitue des parcs de batteries de capacité et/ou de tension importantes, à base de batteries 12 ou 24 V, un découpleur séparé, ou master-BMS est intégré dans le système afin de collecter les données issues de la surveillance de chaque module ou batterie.

Livre blanc batterie au lithium

1. L’arrêt de la charge

Lorsqu’une batterie au lithium est pleine, son chargement doit s’interrompre. Les batteries plomb apprécient les phases de floating, mais ces phases sont nocives pour les batteries lithium. Aussi, le chargement doit être interrompu par le BMS.
Les chargeurs de batteries récents sont pour certain capables d'être pilotés par le BMS ou le Master-BMS et ils cessent alors, au signal de ce dernier, de délivrer du courant.
Le cas des régulateurs solaires MPPT est différent. Il faut installer un relais, actionné par le BMS, de manière à couper l’arrivée d'électricité des panneaux au chargeur qui se comportera alors comme à la tombée de la nuit en s’arrêtant. On peut aussi décider de dévier la charge vers un parc de batterie au plomb.

2. Protection des alternateurs

En présence d’un alternateur sur un moteur diesel, le cas est plus délicat. Branché sur une batterie au Lithium vide, à cause de sa faible résistance interne celle-ci va demander une intensité maximale à l’alternateur, intensité que la plupart des alternateurs d’origine automobile sont incapables de délivrer sur une longue durée sans dommages. L’appareil va alors s’échauffer et générer un risque d’incendie.

En cas de déconnexion d’un alternateur par un BMS, un pic de tension et d’intensité se crée au niveau de l’alternateur si le courant ne peut plus être déversé dans aucun accumulateur.

Pour éviter ces deux problématiques, il est recommandé d’installer un alternateur spécifique qui dispose d’un régulateur externe avec une protection via une sonde de température externe, ou utiliser la batterie de démarrage pour y dévier le courant de l’alternateur au moment de la coupure par le BMS.
Une fois ce “pic” absorbé par la batterie au plomb, sa tension ajuste le régime de l’alternateur.
On peut aussi utiliser un dispositif de protection spécifique qui va absorber le pic de tension.

Protection des systèmes DC

Sur une batterie de propulsion de 40 kWh en 48 V, les courants de court-circuit peuvent atteindre des valeurs extrêmes, de l’ordre de 20 kA (20.000 A).
Le choix du calibre et du type de fusible utilisé en sortie de parc est crucial. Seuls des fusibles convenablement dimensionnés conservent un pouvoir de sectionnement sous ces très fortes intensités. Le fusible de sortie de parc de batteries est destiné à la protection des équipements en cas de surintensité forte.

En présence d'un court-circuit dans la batterie et à défaut de protection convenablement calibrée, l’ensemble des équipements DC (courant continu) connectés à cette dernière pourraient être détruits ou endommagés par ces courants. Les fusibles qui protègent individuellement les circuits sont destinés à protéger leurs câbles et ne sont absolument pas dimensionnés pour les isoler de la batterie en cas de court-circuit.

Les fusibles de classe T sont capables d’interrompre, extrêmement rapidement, moins de 10 ms le passage d’un courant de court-circuit de l’ordre de 20.000 A. Ils se distinguent par leur calibre, l’intensité normale qu'ils sont censés recevoir.
Dans l’exemple de notre batterie 48 VDC, un fusible classe T (calibre 400 A) 48 VDC est capable d'interrompre un courant de court-circuit de 20 kA.

fusible de classe T

Classe de protection contre l’eau des batteries Lithium de propulsion

Le marché des batteries au Lithium contient des accumulateurs aussi différents que ceux destinés aux véhicules terrestres, aux avions ou aux applications marines.

Les industriels n’hésitent pas à commercialiser les mêmes batteries pour ces usages si différents.
L’indice de protection contre l’eau devrait revêtir une importance capitale. Sans protection, court-circuit possible et défaut de protection du dispositif de protection électronique qu’est le BMS assurée…

Seuls des composants convenablement protégés contre les entrées d’eau IP 66 ou IP 67 devraient être installés à bord des bateaux ou sous les châssis des véhicules de loisirs.

Stockage des batteries

Le compartiment de stockage des batteries devrait se trouver en un lieu le protégeant d’une entrée d’eau accidentelle, comme sous un lit dans une cabine de voilier.
Ce compartiment doit pouvoir être ventilé afin d’y forcer de l’air frais en cas de montée de la température. Une évacuation d’air forcée devrait être réalisée afin de permettre l’évacuation des gaz générés par la combustion de l'électrolyte en cas d’incident.
La surveillance de la température de ce compartiment, par une sonde distincte de celle du BMS externe ou du Master BMS peut procurer un premier niveau d’alerte.

Important à de nombreux égards, le choix d’une batterie au lithium pour son bateau ou camping-car ne doit pas être fait à la légère. Que l’on soit constructeur ou concessionnaire, il faut prendre les bonnes décisions pour garantir une bonne sécurité de son installation. Spécialiste de la marine, Dolphin Charger met à disposition de ses clients 4 gammes de chargeurs de batterie, allant de 10 à 100 ampères. Pour la plaisance ou le marché du véhicule de loisirs , les gammes de chargeurs Dolphin répondent à tous les besoins, sans jamais renoncer à la qualité et à la fiabilité. Découvrez notre série PROLITE !

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