Quand les systèmes de stockage d'énergie nécessitent un équilibrage actif (et quand l'équilibrage passif suffit)

Le problème quotidien du cyclisme : l'équilibrage passif n'a pas été conçu pour

La batterie d'un vélo électrique grand public est utilisée environ une fois par jour, souvent moins. Un outil électrique, quant à lui, s'utilise par brèves impulsions. La plupart des applications courantes utilisant des batteries lithium laissent à la batterie suffisamment de temps pour se décharger complètement, et tout léger déséquilibre entre les cellules se corrige lentement et automatiquement. Un équilibrage passif – généralement un courant de 100 mA appliqué à la cellule la plus chargée en fin de charge – convient parfaitement à ce profil d'utilisation.

Le stockage d'énergie est différent. Une batterie domestique alimentée par l'énergie solaire est soumise à des cycles de charge et de décharge profonds chaque jour, année après année. Un système de stockage commercial peut être cyclé plusieurs fois par jour. Sur des milliers de cycles, même de petites différences entre les cellules (tolérances de fabrication, légères différences d'âge, gradients de température au sein d'un pack 16S) s'accumulent et entraînent une dérive de tension mesurable. Le pack cesse d'être homogène et se comporte alors comme sa cellule la plus faible. La capacité totale du pack diminue, le déséquilibre s'accentue et, finalement, le système de gestion de batterie (BMS) doit se déconnecter prématurément pour protéger la cellule la plus faible, ce qui entraîne une perte de capacité utilisable.

C’est ce mode de défaillance qui incite les acheteurs de systèmes de stockage d’énergie à privilégier l’équilibrage actif. La question n’est pas de savoir si l’équilibrage actif est globalement supérieur, mais plutôt si le cycle de fonctionnement de votre projet est suffisamment exigeant pour que l’équilibrage passif ne puisse pas suivre.

Que fait réellement l'équilibrage passif à 100 mA (et où il présente des limites pour les systèmes de stockage d'énergie) ?

L'équilibrage passif fonctionne en dissipant l'énergie excédentaire des cellules qui atteignent leur pleine charge en premier, sous forme de faible chaleur à travers une résistance shunt. Un courant d'équilibrage passif typique de 100 mA suffit à compenser la dérive qui s'accumule dans les applications à faible consommation, mais il présente deux limites structurelles importantes pour le stockage :

• Il ne fonctionne qu'en fin de charge.Un système passif nécessite que les cellules atteignent le seuil d'équilibrage (généralement un état de charge élevé) avant de pouvoir les égaliser. En mode de stockage à cycles partiels, où les charges complètes sont rares, l'équilibrage passif est moins efficace.
• Son taux est faible par rapport à la dérive qui peut s'accumuler quotidiennement.Dans certains cycles de fonctionnement des systèmes de stockage d'énergie, le déséquilibre peut s'accumuler plus rapidement qu'un système d'équilibrage passif de 100 mA — appliqué uniquement dans une fenêtre limitée au sommet de la charge — ne peut le corriger, de sorte que l'écart peut s'élargir au fil des mois au lieu de se réduire.

Pour les applications à faible cycle de service, l'équilibrage passif s'adapte bien au cycle de service et engendre un coût minimal. Le problème spécifique aux systèmes de stockage d'énergie (ESS) réside dans le décalage entre la vitesse de dérive et la vitesse de correction lorsque le cycle de service est élevé.

Qu’apporte l’équilibrage actif (et où réside sa véritable valeur)

L'équilibrage actif fonctionne en transférant l'énergie des cellules à tension plus élevée vers les cellules à tension plus basse — généralement via un circuit de transfert inductif ou capacitif — plutôt qu'en la dissipant sous forme de chaleur. Il en résulte deux conséquences pratiques :

• Courant d'équilibrage plus élevé.Alors que l'équilibrage passif se situe autour de 100 mA, l'équilibrage actif dédié dans les systèmes de gestion de batteries de stockage se situe généralement dans la plage de 1 A, soit une correction dix fois plus rapide.
• Il peut fonctionner sur une plus grande partie de la gamme SoC,Pas seulement lorsque la charge est maximale. Cela a également son importance lors du stockage, où la batterie atteint rarement 100 % de son niveau de charge.

Le résultat net d'un projet de système de stockage d'énergie (ESS) est que la dérive de tension des cellules peut être corrigée à un rythme plus proche de son rythme d'accumulation. L'équilibrage actif contribue à maintenir un fonctionnement plus uniforme du pack tout au long de sa durée de vie, réduisant ainsi le risque de perte de capacité utilisable due à la cellule la plus faible. Il est important de noter que les performances d'équilibrage en service dépendent du reste du système : l'appariement pack-cellule au démarrage, la répartition thermique au sein de la chaîne et la plage de l'état de charge (SOC) pendant laquelle l'équilibrage est autorisé à intervenir. Les données d'équilibrage spécifiques à une configuration de pack donnée doivent être confirmées auprès de l'équipe d'ingénierie plutôt que d'être déduites de la seule fiche technique.

Quand l'équilibrage passif suffit (ne pas surdimensionner)

L'équilibrage actif n'est pas une option par défaut. Pour de nombreuses applications, l'équilibrage passif reste la solution optimale.

• Systèmes de secours légers à cycles peu fréquents
• Les systèmes d'alimentation sans coupure (UPS) pour télécommunications fonctionnent principalement en mode veille et rarement en cycle de décharge profond.
• Systèmes de stockage à petite échelle pour les consommateurs, pour lesquels la rentabilité du projet ne justifie pas le coût supplémentaire du système de gestion technique du bâtiment (GTB).
• Des cellules bien appariées avec une tolérance initiale étroite, où la dérive s'accumule lentement.

Le choix d'un équilibrage actif pour ces applications engendre des coûts supplémentaires sans avantage proportionnel. Un bon fournisseur saura vous indiquer quand un équilibrage passif est la solution la plus adaptée à votre projet. Méfiez-vous des fournisseurs qui recommandent systématiquement l'équilibrage actif sans justification technique claire liée à votre cycle de service.

Quand l'équilibrage actif mérite d'être spécifié pour votre projet de stockage

Les conditions de fonctionnement qui favorisent le stockage actif d'énergie sont relativement précises. Si votre projet remplit plusieurs de ces conditions, il est judicieux de spécifier un équilibrage actif.

• Cyclisme profond quotidien.Le stockage couplé à l'énergie solaire, qui se décharge de manière significative chaque jour, année après année, accumule la dérive plus rapidement que ne peut la corriger un équilibrage périodique en fin de charge.
• Durée de vie prévue sur plusieurs années.Plus la durée de fonctionnement prévue du système est longue, plus la régulation active vous aide à vous protéger contre la dérive cumulative.
• Configurations d'emballage plus importantes.Une chaîne de 16 cellules présente davantage de risques de dérive qu'une chaîne de 8 cellules, car un plus grand nombre de cellules en série augmente la probabilité de variations entre les cellules. Les batteries de 48 V (15-16 cellules) et plus bénéficient davantage d'une correction rapide.
• Architecture de paquets parallèles.L'équilibrage actif fonctionne au niveau de chaque cellule à l'intérieur de chaque pack — il n'égalise pas entre les packs parallèles, mais il aide chaque pack individuel à maintenir une cohérence interne, ce qui favorise un comportement plus prévisible lorsque plusieurs packs fonctionnent ensemble dans une banque.
• Fonctionnement en cycle partiel.Si votre profil de stockage amène rarement la batterie à une charge complète (écrêtement des pics de consommation, optimisation de l'autoconsommation), la dépendance de l'équilibrage passif à la fenêtre de charge maximale devient une véritable limitation.

Guide de sélection rapide

En résumé, voici comment l'équilibrage actif et passif s'applique généralement aux applications courantes. Considérez ceci comme un point de départ pour votre demande de devis, et non comme un substitut à une adaptation à votre cycle de service spécifique :

Le tableau constitue un point de départ ; spécifiez-le en fonction de votre profil de cycle de service réel plutôt que de la seule étiquette de l’application.

DALY Active Balancing pour les applications de stockage

Pour les projets nécessitant un équilibrage actif, la gamme de systèmes de gestion de batteries (BMS) de stockage d'énergie de 4e génération de DALY l'intègre nativement. La version LK offre un équilibrage actif de 1 A pour les configurations de stockage domestiques standard ; la version LM-B offre un équilibrage actif de 2 A pour les systèmes à courant plus élevé et à plus grande capacité. Compatibles avec les modules LFP 8S à 16S et l'architecture à packs parallèles courante pour le stockage domestique et les petits commerces, ces systèmes peuvent être mis en parallèle jusqu'à 16 packs (environ 160 kWh par réseau) pour les projets évolutifs.

Deux points importants à noter lors de toute discussion préalable à la demande de devis : l’équilibrage des performances lors du déploiement dépend du reste du système, comme indiqué ci-dessus, et les données de configuration spécifiques — y compris la logique de déclenchement de l’équilibrage, la fenêtre SOC et les directives d’appariement des cellules de pack — sont des éléments que l’équipe d’ingénierie examinera avec vous sur la base d’un projet plutôt que d’être supposés à partir d’une fiche technique.

Foire aux questions

Q1Un équilibrage actif de 1 A est-il toujours meilleur qu'un équilibrage passif de 100 mA ?

Pas toujours : ce qui est considéré comme meilleur dépend du cycle de service appliqué à la batterie. Pour les applications où la dérive s'accumule lentement (alimentation de secours légère, cycles de charge/décharge peu profonds), une correction passive de 100 mA est adaptée et peu coûteuse. Pour les applications où la dérive s'accumule plus rapidement que ce que 100 mA peut corriger (cycles de charge/décharge profonds quotidiens en stockage), une correction active de 1 A est plus appropriée. Il est essentiel d'adapter la méthode d'équilibrage au cycle de service, et non l'inverse.

Q2L'équilibrage actif prolonge-t-il la durée de vie du cycle ?

La durée de vie des cellules est une propriété intrinsèque de ces dernières, et non le résultat d'un équilibrage. L'équilibrage actif permet à la batterie d'atteindre la durée de vie nominale des cellules en réduisant le risque qu'un déséquilibre les fasse sortir de leur plage de fonctionnement sécuritaire. Ce sont les cellules qui déterminent la limite supérieure ; l'équilibrage permet de s'en approcher au lieu d'être limité par la cellule la plus faible. Les données spécifiques de durée de vie pour votre configuration font l'objet d'une discussion au niveau du projet avec l'équipe d'ingénierie.

Q3Si je ne sais pas si mon projet nécessite une approche active ou passive, que dois-je faire ?

Communiquez au fournisseur votre profil de cycle de service : profondeur du cycle journalier, nombre de cycles annuels prévus, durée de vie cible, taille de l’emballage et capacité du système à atteindre régulièrement sa pleine charge. Un fournisseur qui établit sa spécification en fonction de ces informations, plutôt que de choisir par défaut l’option la plus onéreuse, mérite votre attention. Si vous ne pouvez obtenir une justification de la spécification liée à votre cycle de service, ces données sont indispensables avant l’envoi de votre demande de devis.

À propos de DALY

DALY conçoit et fabrique des systèmes de gestion de batteries au lithium pour les équipementiers, les fabricants de packs et les intégrateurs. Ses produits sont utilisés dans plus de 130 pays. Fondée en 2015, DALY opère selon les normes ISO 9001 et ISO 14001 et est conforme aux réglementations CE et RoHS. Sa gamme de solutions de stockage d'énergie bénéficie de la certification UL (composant reconnu, mais non certification UL complète – cette distinction est importante pour les projets nord-américains), et la documentation nécessaire à la certification au niveau du pack ou du système est fournie.

Spécifier l'équilibrage actif pour votre projet de stockage ?

Si vous envisagez un projet de stockage solaire, de batterie domestique ou de système de stockage d'énergie commercial de petite taille et que vous souhaitez spécifier correctement l'équilibrage, l'équipe d'ingénierie de DALY peut examiner votre cycle de service et vous aider à adapter l'approche BMS à celui-ci.

• Partagez votre cycle de service : profondeur de cycle quotidienne, durée de vie prévue, taille du pack, configuration en parallèle
• Demande de documentation technique LK/LM-B de 4e génération
• E-mail:dalybms@dalyelec.com

Page produit Active Balanced :https://www.dalybms.com/active-balancing-products/