Imaginons la situation suivante : une batterie reliée à un chargeur est laissée en charge. La première minute se passe sans incident, l’électricité circulant dans le pack comme prévu. Soudain, une cellule de batterie subit un court-circuit et s’échauffe rapidement, ce qui déclenche une réaction en chaîne qui se propage à d’autres cellules du pack. Après 20 minutes, le pack de batteries est complètement détruit. Pour étudier ce scénario potentiellement dangereux, nous avons modélisé un pack de batteries soumis à ce changement brusque.
Les risques liés à la défaillance d’une batterie
Les batteries peuvent subir un emballement thermique lorsqu’elles sont poussées au-delà de leur plage de fonctionnement normale, lorsqu’elles sont endommagées ou en cas de court-circuit, comme dans l’exemple décrit ci-dessus. Au cours de ce processus, une cellule s’échauffe de manière incontrôlée et déclenche l’échauffement des cellules adjacentes. Lorsque la chaleur produite en excès n’est pas suffisamment dissipée, l’ensemble du pack subit un emballement thermique. Ce phénomène peut rapidement endommager l’ensemble du pack de batteries au point de la rendre inutilisable. Dans les cas les plus graves, les températures extrêmes peuvent même déclencher des incendies, avec des conséquences potentiellement désastreuses.
Les batteries peuvent subir un emballement thermique lorsqu’elles sont mal conçues ou mal utilisées. Photo de Roberto Sorin via Unsplash.
Pour comprendre comment ce type de défaillance pourrait survenir et se propager dans de futurs designs, les concepteurs de batteries peuvent se tourner vers la modélisation et la simulation (M&S) pour réaliser des tests reproduisant le processus d’emballement, en évitant tout dommage matériel — ou tout risque pour eux-mêmes d’ailleurs. La M&S permettent de voir à l’intérieur d’une batterie comme il est impossible de le faire en laboratoire, et la simulation multiphysique, en particulier, garantit que les modèles reflètent les conditions réelles dans lesquelles le pack de batteries évoluera à terme.
Construction d’un modèle de pack de batteries dans COMSOL Multiphysics®
Considérons un simple pack de 20 batteries cylindriques dans une configuration 5s4p. Cela correspond à 4 ensembles de cellules connectés en parallèle, où chaque ensemble contient 5 cellules individuelles connectées en série. Dans le modèle, nous avons inclus deux structures support en plastique pour maintenir les batteries en place et fixer les distances entre les cellules. Le modèle comporte également des connecteurs parallèles soudés aux connecteurs en série, à mi-chemin entre les cylindres des batteries. Pour finir un emballage en plastique entoure l’ensemble du pack, créant un compartiment d’air au repos autour des cellules cylindriques.
La géométrie du pack de batteries modélisé.
Le modèle utilise les matériaux suivants de la bibliothèque de matériaux de COMSOL Multiphysics®:
- Acrylic plastic (pour les supports en plastique)
- Steel AISI 4340 (pour les connecteurs et terminaux des cellules)
- Air (pour le compartiment d’air)
Maintenant, déclenchons l’emballement thermique dans le pack! Pour amorcer notre propagation, nous supposons qu’une cellule subit un court-circuit au début du processus de charge.
Modélisation de l’emballement thermique
Dans notre simulation, dès que le court-circuit est déclenché (au bout d’une minute), la température maximale mesurée à l’intérieur du pack de batteries augmente instantanément de plus de 300°C. Cependant, la température moyenne n’augmente que modérément, car une seule cellule subit cette augmentation spectaculaire de la température. Nous observons une période de latence au cours de laquelle les cellules voisines sont chauffées par la cellule défectueuse jusqu’à ce qu’une autre cellule se mette à chauffer soudainement.
Tension du pack, température maximale et température moyenne au sein du pack de batteries.
La température seuil pour le déclenchement d’un événement thermique dans les cellules restantes est de 80°C. À mesure que la chaleur globale augmente dans le pack, les intervalles de temps entre les emballements successifs deviennent plus courts. Pour simuler la perte d’électrolyte et l’augmentation des résistances internes des cellules résultant de l’emballement, on impose à la résistance ohmique interne des cellules d’augmenter d’environ deux ordres de grandeur lorsqu’un événement thermique est déclenché.
Température dans le pack de batteries au cours du temps.
Au bout de 10 minutes, la tension de charge maximale est atteinte et le chargeur cesse de fonctionner. Malheureusement, il est trop tard pour éviter d’autres dégâts, et l’emballement thermique continue de se propager dans le reste du pack. Au bout de quelques minutes, nous avons perdu l’ensemble des 20 cellules. Au bout de 20 minutes, les processus thermiques sont terminés, mais la température moyenne de notre pack reste supérieure à 350 °C. S’il s’était agi d’un véritable pack de batteries, le scénario modélisé aurait probablement provoqué un incendie, voire une explosion.
Prévenir les problèmes en amont
Les batteries soumises à une température trop élevée, utilisées de manière dangereuse ou endommagées peuvent être sujettes au phénomène d’emballement thermique. Lorsqu’une partie du système commence à surchauffer, la situation peut rapidement dégénérer. En modélisant ces événements, les utilisateurs peuvent tester virtuellement leurs designs et vérifier, par exemple, l’efficacité des systèmes de gestion des batteries ainsi que la régulation de la température du système dans des lieux de déploiement potentiels. C’est par cette approche que les événements d’emballement thermique peuvent être mieux compris et, si possible, évités.
Vous souhaitez modéliser cet exemple vous-même ? Les fichiers du modèle sont disponibles dans la Bibliothèque d’Applications.
Rechargez vos batteries avec davantage de contenu
- Pour en savoir plus sur la modélisation des batteries sur le blog COMSOL
- Regardez une présentation sur la conception de batteries performantes, durables et sûres
Commentaires (0)