Facteurs à prendre en compte lors de la personnalisation de packs de batteries au lithium

Les batteries au lithium sont largement utilisées dans les véhicules électriques, les équipements industriels, la robotique, les dispositifs médicaux, les applications maritimes, les systèmes de stockage d'énergie et d'autres équipements électroniques.

Les différentes applications nécessitent des spécifications de batterie différentes. La conception d’un bloc-batterie au lithium adapté doit tenir compte des performances électriques, de la structure mécanique, des exigences de sécurité, de l’environnement d’exploitation et des exigences de production.

Lorsqu'on collabore avec un fabricant de batteries au lithium dans le cadre d'un projet de pack de batteries sur mesure, la compréhension des principaux facteurs de conception peut contribuer à améliorer la compatibilité du produit et à réduire les délais de développement.

1. Définir les exigences relatives à l'utilisation de la batterie

La première étape de la personnalisation d'une batterie au lithium consiste à bien cerner le contexte d'utilisation.

Les exigences en matière de performances de la batterie varient d'un appareil à l'autre.

Par exemple :

• Les vélos électriques et les motos électriques doivent disposer d'une autonomie suffisante, d'une conception légère et d'une bonne résistance aux intempéries.
• Les robots AGV et AMR nécessitent une alimentation électrique stable, une longue durée de vie et des fonctions de communication.
• Les équipements médicaux doivent fonctionner de manière fiable et respecter les normes de sécurité.
• Les drones agricoles doivent présenter une conception légère et des performances de décharge adaptées.
• Les systèmes de stockage d'énergie doivent pouvoir fonctionner sur le long terme et offrir des performances stables en matière de charge et de décharge.

Avant de concevoir un bloc-batterie, les fabricants ont généralement besoin d'informations concernant :

• Type d'équipement
• Conditions de travail
• Durée de fonctionnement
• Exigences en matière de charge
• Espace d'installation
• Conditions environnementales

Une définition claire de l'application permet de déterminer la solution de batterie la plus adaptée.

2. Choisissez la tension de batterie appropriée

La tension est l'un des paramètres fondamentaux d'une batterie au lithium.

La tension de la batterie doit être adaptée au système électrique de l'équipement.

Les tensions courantes des batteries au lithium sont notamment les suivantes :

• 12V
• 24V
• 36V
• 48V
• 60V
• 72V

Par exemple :

Une batterie de véhicule électrique de 48 V utilise généralement une configuration de 13 batteries au lithium montées en série, avec une tension à pleine charge d'environ 54,6 V.

Lors du choix de la tension, les fabricants doivent vérifier les points suivants :

• Tension nominale de l'appareil
• Plage de tension du contrôleur
• Caractéristiques techniques du moteur
• Caractéristiques techniques du chargeur
• Configuration du BMS

Un mauvais choix de tension peut nuire au bon fonctionnement de l'équipement et aux performances de la batterie.

3. Déterminer la capacité de la batterie et les besoins en énergie

La capacité de la batterie influe directement sur l'autonomie.

La capacité est généralement exprimée en Ah (ampère-heure), tandis que l'énergie totale est exprimée en Wh (watt-heure).

La formule de calcul est la suivante :

Énergie (Wh) = Tension (V) × Capacité (Ah)

Par exemple :

Une batterie de 48 V et 20 Ah :

48 V × 20 Ah = 960 Wh

La capacité requise dépend des éléments suivants :

• Durée de fonctionnement prévue
• Consommation électrique des équipements
• Conditions de charge
• Fréquence de recharge
• Espace disponible pour l'installation

La conception d'un bloc-batterie doit trouver le juste équilibre entre capacité, taille et poids en fonction de l'application.

4. Choisir le bon type de cellule de batterie

Les cellules de batterie constituent un élément essentiel d'un bloc-batterie au lithium.

Les différentes compositions chimiques des cellules leur confèrent des caractéristiques différentes.

Cellules de batterie lithium-ion NMC

Les cellules NMC (nickel-manganèse-cobalt) sont couramment utilisées dans les applications nécessitant une densité énergétique plus élevée.

Parmi les applications courantes, on peut citer :

• Vélos électriques
• Motos électriques
• Équipements portables
• Appareils légers

Cellules de batterie LiFePO4

Les cellules au lithium fer phosphate (LiFePO₄) sont largement utilisées dans les applications nécessitant un fonctionnement stable et une longue durée de vie.

Parmi les applications courantes, on peut citer :

• Équipements industriels
• Robots AGV et AMR
• Batteries marines
• Systèmes de stockage d'énergie

Cellules de batterie au lithium-polymère

Les cellules au lithium-polymère permettent de concevoir des formes flexibles et sont souvent utilisées dans des applications où l'espace est limité.

Parmi les applications courantes, on peut citer :

• Drones
• Appareils électroniques portables

Le choix des cellules de batterie doit tenir compte des besoins énergétiques, de la sécurité, de l'environnement d'exploitation et de la conception du produit.

5. Concevoir le système de gestion de batterie (BMS)

Le système de gestion de batterie (BMS) contrôle et surveille le fonctionnement de la batterie au lithium.

Un système de gestion de batterie (BMS) correctement configuré peut assurer des fonctions de protection et de surveillance de la batterie.

Les fonctions courantes d'un système de gestion de batterie (BMS) comprennent :

• Protection contre les surcharges
• Protection contre la surcharge
• Protection contre les surintensités
• Protection contre les courts-circuits
• Contrôle de la température
• Surveillance du potentiel cellulaire
• Calcul de l'état de charge (SOC)

Pour les applications intelligentes, le bloc-batterie peut nécessiter des fonctions de communication :

• Bus CAN
• RS485
• UART
• Communication Modbus

Dans le cas des robots industriels, des véhicules électriques et des appareils connectés, la communication BMS permet d'intégrer la batterie au système de commande de l'équipement.

6. Tenir compte de la structure et de la taille du bloc-batterie

La conception mécanique d'un bloc-batterie doit être adaptée à l'espace disponible pour l'installation de l'équipement.

Parmi les facteurs importants à prendre en compte lors de la conception, on peut citer :

• Dimensions de la batterie
• Méthode de montage
• Matériau du boîtier
• Position du connecteur
• Acheminement des câbles
• Conception du système de dissipation thermique

Parmi les structures courantes des blocs-batteries, on peut citer :

• Boîtier en plastique
• Boîtier en aluminium
• Boîtier métallique
• Conception étanche et hermétique

Pour les applications liées aux vélos électriques, les conceptions sur mesure peuvent inclure :

• Batteries intégrées au tube diagonal
• Batteries pour porte-bagages arrière
• Batteries sur le tube de selle
• Batteries intégrées au châssis

Une structure adaptée contribue à améliorer la compatibilité lors de l'installation et la fiabilité du produit.

7. Évaluer les besoins en matière de charge et de décharge

Les performances de charge et de décharge doivent être adaptées aux conditions d'utilisation de l'équipement.

Parmi les paramètres importants, on peut citer :

• Courant de décharge continu
• Courant de décharge maximal
• Courant de charge
• Exigences relatives au temps de recharge

Les besoins en puissance varient d'une application à l'autre.

Par exemple :

• Les véhicules électriques peuvent nécessiter un courant de sortie plus élevé lors de l'accélération.
• Les robots peuvent avoir besoin d'une alimentation en courant stable lorsqu'ils fonctionnent en continu.
• Les drones peuvent nécessiter des performances de décharge adaptées pendant le vol.

La conception d'une batterie doit tenir compte à la fois des conditions de fonctionnement normales et des pics de charge.

8. Tenir compte des conditions de température de fonctionnement

La température a une incidence sur les performances et la durée de vie des batteries au lithium.

La personnalisation des batteries doit tenir compte des éléments suivants :

• Plage de températures de fonctionnement
• Plage de températures de charge
• Plage de températures de stockage

Pour les applications en extérieur ou industrielles, d'autres modèles peuvent être nécessaires :

• Isolation thermique
• Système de chauffage
• Contrôle de la température
• Paramètres spéciaux du BMS

La compréhension de l'environnement d'exploitation permet de choisir les matériaux de batterie et les solutions de protection adaptés.

9. Certifications et réglementations en matière de sécurité des batteries

Les exigences relatives aux batteries au lithium varient d'un marché à l'autre.

Parmi les certifications et normes courantes, on peut citer :

• UN38.3 pour les essais de transport
• Norme CEI 62133-2 relative à la sécurité des batteries
• Marquage CE conforme aux exigences du marché européen
• Norme UL 2271 pour les batteries destinées aux véhicules électriques légers
• Certification FCC pour les équipements électroniques
• Directive RoHS relative aux exigences environnementales

Pour les projets internationaux, il convient de prendre en compte les exigences en matière de certification dès les premières phases de conception.

Cela permet d'éviter les coûts liés à la refonte après le développement du produit.

10. Exigences en matière d'étanchéité et de protection

De nombreuses batteries au lithium sont utilisées dans des environnements extérieurs.

Selon l'application, le boîtier de la batterie peut nécessiter une protection contre :

• Poussière
• Eau
• Humidité
• Vibrations
• Choc mécanique

Les indices de protection courants sont notamment les suivants :

• IP65
• IP67
• IP68

Pour des applications telles que les motos électriques, les équipements nautiques et les robots d'extérieur, le degré de protection du boîtier constitue un facteur de conception important.

11. Essais et contrôle qualité des batteries

Le processus complet de fabrication d'une batterie comprend plusieurs procédures de contrôle.

Les étapes habituelles du contrôle qualité comprennent :

• Contrôle des cellules à l'arrivée
• Tri par tension et résistance cellulaires
• Contrôle des soudures
• Tests du système de gestion de la batterie (BMS)
• Essais de charge et de décharge
• Tests de vieillissement
• Contrôle final

La cohérence des batteries est importante pour les performances du pack et son fonctionnement à long terme.

Les fabricants professionnels de batteries procèdent généralement à des tests de vérification avant de lancer la production en série.

12. Choisir un fabricant OEM de batteries au lithium adapté

Le choix du bon partenaire de fabrication est un élément essentiel du développement de batteries sur mesure.

Un fabricant de batteries OEM adapté doit posséder une expérience dans les domaines suivants :

• Conception du bloc-batterie
• Sélection des cellules
• Intégration du système de gestion de batterie (BMS)
• Ingénierie des structures
• Développement de prototypes
• Soutien à la certification
• Production de masse

Le fabricant doit être en mesure d'assurer un accompagnement technique depuis la conception initiale jusqu'à la production finale.

Informations requises pour le développement d'un pack de batteries au lithium sur mesure

Avant de se lancer dans un projet de batterie sur mesure, les clients doivent généralement fournir :

Conclusion

Le développement d'un bloc-batterie au lithium sur mesure nécessite de prendre en compte de nombreux facteurs, notamment les exigences de l'application, la tension, la capacité, les cellules de batterie, la conception du système de gestion de la batterie (BMS), la structure mécanique, les normes de sécurité et les capacités de fabrication.

Une solution de batterie bien conçue doit être adaptée aux besoins de l'équipement et à son environnement d'exploitation, tout en respectant les exigences en matière de sécurité et de qualité.

Collaborer avec un fabricant OEM expérimenté de batteries au lithium peut aider les entreprises à développer des packs de batteries adaptés à différentes applications, allant de la mobilité électrique et des robots industriels aux dispositifs médicaux et aux systèmes de stockage d'énergie.

FAQ 

Quelles informations faut-il fournir pour commander un bloc-batterie au lithium sur mesure ?

Les clients doivent généralement fournir des informations sur l'application, la tension, la capacité, les dimensions, les besoins en courant, l'environnement d'exploitation et les exigences en matière de certification.

Combien de temps faut-il pour mettre au point un bloc-batterie sur mesure ?

La durée de développement dépend de la complexité de la batterie, des exigences en matière de tests et des besoins en matière de certification. Le développement d'un prototype comprend généralement la conception, la production d'échantillons et la vérification des performances.

Quelles cellules de batterie peut-on utiliser pour fabriquer des packs de batterie sur mesure ?

Parmi les options courantes, on trouve les cellules lithium-ion NMC, les cellules LiFePO₄ et les cellules lithium-polymère. Le choix dépend des exigences de l'application.

Pourquoi le système de gestion de batterie (BMS) est-il important pour les batteries au lithium ?

Le système BMS surveille l'état de la batterie et offre des fonctions de protection contre la surcharge, la décharge excessive, les surintensités et les températures excessives.