I. Le principe du SOH : que reflète-t-il ?

L'essence du SOH est de quantifier le degré de vieillissement de la batterie. Ce vieillissement se manifeste principalement sous deux aspects, qui constituent également la base physique du calcul du SOH :

1. Dégradation de la capacité

Il s'agit là de la manifestation la plus fondamentale et intuitive de l'état de santé (SOH). Après une utilisation prolongée, la quantité totale de charge qu'une batterie peut stocker et restituer diminue de façon irréversible.

· Principes physiques :

Perte de lithium actif : lors des cycles de charge/décharge, l’électrolyte subit des réactions parasites avec la surface de l’électrode, formant un film d’interface électrolyte solide. Ce film continue de croître et consomme les ions lithium libres disponibles, ce qui réduit la quantité de lithium « effectif » participant aux réactions de charge et de décharge.

o Dégradation de la structure des matériaux d'électrode : La structure cristalline des matériaux d'électrode positive et négative subit des transitions de phase irréversibles, une dissolution ou un effondrement lors de l'insertion et de l'extraction répétées d'ions lithium, ce qui entraîne une diminution des « positions » de stockage des ions lithium ou une diminution de leur capacité à le faire.

Résultat : Une batterie neuve d’une capacité nominale de 100 Ah peut, après plusieurs années d’utilisation, ne libérer que 80 Ah après avoir été complètement chargée puis déchargée. Son état de santé (SOH) est alors de (80 Ah / 100 Ah) * 100 % = 80 %.

2. Diminution des performances énergétiques (augmentation de la résistance interne)

La résistance interne de la batterie détermine sa tension de fonctionnement et la chaleur dégagée lors de la charge et de la décharge. Une résistance interne élevée entraîne une baisse des performances de la batterie.

• Principes physiques :

* Augmentation de la résistance interne ohmique : corrosion du collecteur de courant, augmentation de la résistance de contact entre le matériau de l’électrode et le collecteur de courant, etc.

* Augmentation de la résistance interne de polarisation électrochimique : en raison de l’épaississement susmentionné du film SEI et de la diminution de l’activité du matériau d’électrode, il devient plus difficile pour les ions lithium de s’intercaler et de se désintercaler dans l’électrode, ce qui ralentit la vitesse de réaction.

* Augmentation de la résistance interne due à la polarisation de concentration : la vitesse de transport des ions lithium dans l’électrolyte ralentit.

Résultats : Lors d’une décharge à courant élevé identique, la chute de tension d’une batterie neuve est très faible, tandis que celle d’une batterie usée chute brutalement, provoquant un déclenchement prématuré de la protection contre les sous-tensions, une restitution incomplète de l’énergie et un échauffement plus important de la batterie. Son état de santé (SOH) peut être calculé à partir de l’augmentation de sa résistance interne.

II. Le rôle du SOH : Pourquoi est-il si important ? L'état d'harmonie (SOH) n'est pas un indicateur académique abstrait ; il joue un rôle crucial tout au long du cycle de vie de la batterie, notamment en termes de sécurité et d'efficacité économique.

1. Pour les utilisateurs :

· Évaluation de la valeur restante et de la durée de vie prévue de la batterie :

* Véhicules électriques : L’état de santé (SOH) est un indicateur clé pour évaluer la valeur d’une voiture d’occasion. Il reflète directement l’autonomie restante du véhicule. Les utilisateurs peuvent se servir du SOH pour vérifier si la batterie est toujours sous garantie (les constructeurs garantissent généralement, par exemple, un SOH supérieur à 70 % pendant 8 ans ou 160 000 kilomètres).

* Systèmes de stockage d'énergie : Aide les utilisateurs à comprendre la capacité de débit énergétique réelle du système de stockage d'énergie et à effectuer des calculs de rentabilité.

· Conseils sur les habitudes d'utilisation : Comprendre la tendance à la baisse du SOH permet aux utilisateurs d'utiliser et d'entretenir la batterie de manière plus scientifique, retardant ainsi son vieillissement.

2. Pour les systèmes de gestion de batterie (BMS) :

Il s'agit du cœur de Rôle de l'état de santé (SOH). Le système de gestion du bâtiment (BMS) utilise les informations SOH pour ajuster dynamiquement ses stratégies de contrôle afin d'atteindre les objectifs de sécurité, d'efficacité et de longévité.

• Stratégie de charge/décharge optimisée :

o Limitation de puissance : Lorsque l'état de santé (SOH) diminue (la résistance interne augmente), le BMS limite progressivement la puissance de charge/décharge maximale de la batterie afin d'éviter la surcharge/décharge excessive et la génération de chaleur excessive, garantissant ainsi la sécurité.

o Calcul de la capacité de base : Le BMS calcule l’autonomie restante (SOC) en se basant sur une capacité de base « pleine capacité », qui correspond à la capacité maximale utilisable actuelle, ajustée en temps réel selon l’état de santé (SOH). Une batterie avec un SOH de 80 %, même si le SOC affiche 100 %, ne possède que 80 % de sa capacité initiale.

• Garantir un fonctionnement sûr :

Les batteries vieillissantes (généralement avec un faible état de santé) présentent des systèmes chimiques internes plus instables et un risque accru d'emballement thermique. Le système de gestion de batterie (BMS) peut alors adopter un mode de gestion plus conservateur en fonction de l'état de santé, renforçant ainsi la surveillance et la protection.

• Parvenir à une gestion équilibrée :

Les informations SOH aident le BMS à déterminer plus intelligemment si les incohérences dans les cellules au sein du bloc-batterie sont causées par des incohérences réversibles de l'état de charge (SOC) ou par une dégradation irréversible de la capacité (incohérences de l'état de santé), permettant ainsi des mesures d'équilibrage plus efficaces.

3. Pour une utilisation secondaire : Lorsque l'état de santé (SOH) d'une batterie de puissance tombe à environ 80 %, elle peut ne plus répondre aux exigences d'autonomie et de puissance du véhicule, mais elle conserve encore une valeur résiduelle importante.

· Sélection en vue d'une réutilisation : l'état de santé (SOH) est un critère essentiel pour déterminer si les batteries usagées conviennent à des applications secondaires telles que le stockage d'énergie, les véhicules électriques à basse vitesse et les alimentations de secours. En fonction des exigences en densité énergétique des différentes applications, les batteries usagées peuvent être classées et réutilisées avec précision.

En résumé, l'état de santé (SOH) des batteries lithium-fer-phosphate est un indicateur complet de leur état, résultant du vieillissement chimique et physique irréversible au sein de la batterie. Il constitue un élément essentiel pour la prise de décision en matière de gestion de la sécurité des batteries, d'estimation de leur état, d'évaluation de leur valeur et de leur réutilisation.