Pourquoi la température et le SOC des cellules au lithium sont importants

Le parc de batteries 600 Ah Winston de mon bateau a perdu près de 15 % de sa capacité au cours des 5 dernières années. J'ai passé trois ans sous les tropiques avec des températures autour de 30°C et un SOC moyen estimé à 70% ou plus. Cette perte de capacité est-elle normale ?
Pour répondre à cette question, j'ai passé quelques jours à lire tous les articles de recherche que j'ai pu trouver sur le processus de vieillissement des cellules au lithium LiFePo4. Je suis heureux de partager mes découvertes.

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Ce que j'ai retenu :

Bien que chaque recherche soit basée sur des hypothèses, des procédures de test et des points de données différents, elles montrent toutes des résultats similaires. Ceci est un résumé sous une forme simplifiée…

Deux principaux processus de vieillissement sont additifs et contribuent à la perte de capacité. Le Vieillissement calendaire que la batterie soit utilisée ou non, et la Perte de capacité en cyclage lorsque la batterie est chargée et déchargée.

Vieillissement du calendrier :

Le vieillissement calendaire est plus important à une température plus élevée et un SOC plus élevé

• après 200 jours à 100% SOC, la batterie perd 60% plus de capacité à 35°C qu'à 15°C
  • @ 15°C, perte de capacité = 3.5%
  • @ 25°C, perte de capacité = 4.4%
  • @ 35°C, perte de capacité = 5.6%
    
• Par rapport à la perte de capacité à 100% SOC (test à 45°C) :
  • @ 75% SOC, la perte est 25% moins
  • @ 50% SOC, la perte est 40% moins
  • @ 25% SOC, la perte est de moitié
    
• la perte de capacité est proportionnelle à la racine carrée du temps (si la température et le SOC sont constants)
  • si dans les 200 premiers jours la perte de capacité est de 2.5%…
  • après un an, perte de capacité = 3.5%
  • après 5 ans, perte de capacité = 8%
  • après 15 ans, perte de capacité = 13%

Perte de capacité en cyclage :

La perte de capacité en cyclage est plus importante à basse température, et lorsque le courant et le SOC sont élevés

• La perte de capacité en cyclage est la plus faible à 35°C (hors vieillissement calendaire)
  
• à basse température, la perte de capacité augmente fortement :
  • @ 25°C, la perte de capacité en cyclage est de 10% de plus qu'à 35°C
  • @ 10°C, la perte de capacité en cyclage est de 200% de plus qu'à 35°C
  • @ 0°C, la perte de capacité en cyclage est > 400 % plus élevée qu'à 35°C
    
• à basse température (proche de 0°C) :
  • la perte de capacité augmente fortement avec le courant de charge
  • Continuer à charger une batterie presque pleine entraîne une forte perte de capacité
    
• à une température plus élevée, la perte de capacité n'augmente que légèrement :
  • à 45°C, la perte de capacité en cyclage est d'environ 20% de plus qu'à 35°C
  • l'état de charge et le courant ont moins d'influence sur le vieillissement en cyclage
    
• la perte de capacité est proportionnelle à la racine carrée du nombre de cycles

En résumé

En combinant les données des deux processus de vieillissement, nous pouvons estimer la perte de capacité au fil du temps. Il est courant de considérer que la batterie a atteint sa fin de vie lorsque la perte de capacité est supérieure à 20 % (chiffres en rouge). Le tableau suivant est basé sur l'hypothèse de 200 cycles équivalents complets par an.

SOC	5 ans	5 ans	5 ans	10 ans	10 ans	10 ans	15 ans	15 ans	15 ans
	15 ° C	25 ° C	35 ° C	15 ° C	25 ° C	35 ° C	15 ° C	25 ° C	35 ° C
25%	-10%	-10%	-11%	-14%	-14%	-16%	-18%	-18%	-20%
50%	-12%	-12%	-13%	-17%	-17%	-19%	-22%	-21%	-24%
75%	-15%	-14%	-16%	-22%	-21%	-24%	-27%	-26%	-30%
100%	-21%	-19%	-22%	-29%	-28%	-32%	-36%	-35%	-40%

Ces chiffres correspondent assez bien à la perte de capacité que j'ai observée sur mon parc de batteries !

Il semblerait donc que la température optimale pour obtenir une durée de vie maximale soit…

25°C si la batterie est cyclée régulièrement

15°C (ou moins) si la batterie est stockée ou utilisée légèrement

La perte de capacité augmente fortement avec l'état de charge de la batterie

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Conseils pour maximiser la durée de vie de la batterie

Cela dépend de l'environnement et du mode d'utilisation de la batterie :

Climat chaud (supérieur à 30°C)

• dans un bateau, placez la batterie dans une position basse près de la coque où l'eau de mer la maintient au frais
• dans une maison, un camping-car ou un camion, placez la batterie dans la pièce à vivre où il y a un climatiseur ou une ventilation
• dans un véhicule ne placez pas la batterie juste au-dessus du train de roulement où rayonne la chaleur de la route
• ajouter une ventilation dans le compartiment batteries - peut être contrôlée (marche/arrêt) par TAO BMS
• si cela ne suffit pas, placez la batterie dans un compartiment isolé et ajoutez un petit système Peltier pour la refroidir de quelques degrés - peut être contrôlé (on/off) par TAO BMS
• ne placez pas les chargeurs et onduleurs dans le même compartiment que la batterie (ils peuvent générer beaucoup de chaleur)

Climat froid (inférieur à 5°C)

• dans un bateau, placez la batterie dans une position basse près de la coque car l'eau de mer est souvent plus chaude que l'air
• dans une maison, un bateau, un camping-car ou un camion, placez la batterie dans la pièce à vivre qui est chauffée
• si ce n'est pas possible, placez la batterie dans un compartiment isolé et ajoutez un petit radiateur avec un ventilateur qui peut être contrôlé (marche/arrêt) par TAO BMS
• La majorité des batteries au lithium ne peuvent pas être chargées à une température inférieure à 0°C (certaines batteries peuvent le supporter - vérifiez les spécifications)
• En dessous de 5°C, réduisez considérablement le courant de charge (vérifiez les spécifications de la batterie) - TAO BMS peut contrôler le courant fourni par les chargeurs et les régulateurs via CANbus

Utilisation légère ou stockage (un cycle ou moins par semaine)

• maintenir le SOC en dessous de 50% - TAO BMS gère le cycle de charge pour faire exactement cela
• garder la batterie aussi fraîche que possible
• si la batterie n'est pas utilisée, chargez la batterie à 50 % SOC et débranchez tous les câbles de la batterie (y compris le BMS)

TAO BMS surveille la température de chaque cellule, vous avertit de toute condition anormale
et peut contrôler l'équipement de chauffage/refroidissement

Autres points à surveiller

Un courant élevé peut dégager de la chaleur dans la batterie ou dans le BMS si:

• un connecteur de câble ou de liaison entre cellules n'est pas assez serré (mais ne serrez pas trop car vous pourriez endommager la batterie)
• une cellule a une résistance interne élevée
• le BMS a un équilibrage passif qui dissipe de la chaleur (important pour les batteries « drop-in » avec un équilibreur passif juste au-dessus des cellules)
• vous utilisez des relais à semi-conducteurs (SSR) avec une "résistance ON" (chute de tension) élevée qui dissipent une énorme quantité de chaleur (important pour les batteries "drop-in" avec des FET juste au-dessus des cellules)

Toutes ces situations conduiront à un vieillissement accéléré d'une ou plusieurs cellules de la batterie

TAO BMS vous avertit s'il y a une différence de température entre les cellules

Dans toutes les situations

Considérant qu'un SOC élevé de la batterie contribue à un vieillissement plus rapide :

• maintenir l'état de charge moyen de la batterie aussi bas que possible
• la batterie n'a pas besoin d'être remplie à 100% à chaque charge
• éviter la charge flottante une fois la batterie pleine

TAO BMS dispose d'une fonction de gestion du cycle de charge pour piloter les chargeurs
et maintenir le SOC dans une plage définie

Vos commentaires et expériences personnelles sont les bienvenus dans la section commentaires ou dans la section discussion sur ce sujet

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Références:

1. Modélisation complète des mécanismes de dégradation dépendant de la température dans les batteries lithium fer phosphate. M. Schimpe, ME von Kuepach, M. Naumann, HC Hesse, K. Smith,2, A. Jossen
   Journal de la société électrochimique, 165 (2) A181-A193 (2018)
   
2. Analyse du mécanisme de dégradation de la batterie lithium fer phosphate. Genki KANEKO, Soichiro INOUE, Koichiro TANIGUCHI, Toshio HIROTA, Yushi KAMIYA1, Yasuhiro DAISHO1, Shoichi INAMI2 – World Electric Vehicle Journal Vol. 6 – ISSN 2032-6653 (2013)
   
3. Le comportement de dégradation des batteries LiFePO4/C au cours du vieillissement calendaire à long terme. Xin Sui, Maciej Swierczynski, Remus Teodorescu, Daniel-Ioan Stroe – Énergies 2021, 14, 1732.