Le cycle de vie des batteries est limité par les technologies de conversion de puissance, mais la technologie des convertisseurs à rapport fixe pourrait changer la donne.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
L’adoption continue de l’électrification dans de nombreuses industries a été bénéfique pour la productivité et l’environnement. La production de batteries a été une technologie clé permettant cette tendance. En partie motivée par les véhicules électriques (VE) et les systèmes de stockage d’énergie pour les énergies renouvelables, l’industrie des batteries est l’une des plus dynamiques au monde.
Selon l’Agence Internationale de l’Énergie (AIE), la demande mondiale de batteries a été multipliée par dix, passant de 43,8 GWh/an en 2016 à 550,5 GWh/an en 2022. Compte tenu de la demande toujours croissante, chaque étape du cycle de vie des batteries mérite un examen approfondi. Le cycle de vie d’une batterie comprend quatre grandes étapes : la formation des cellules, les tests des batteries, l’utilisation des applications et le recyclage des batteries. Une faille dans l’une de ces phases compromet l’industrie des batteries et la croissance de l’électrification. Aujourd’hui, le cycle de vie des batteries est limité par les technologies de conversion de puissance existantes, mettant en péril cette croissance. La technologie des convertisseurs à rapport fixe de Vicor apporte une approche novatrice pour atteindre une plus grande durabilité et efficacité économique à toutes les étapes du cycle de vie des batteries.
Technologie des convertisseurs à rapport fixe
Dans les systèmes de batteries haute tension, la conversion de puissance DC-DC est fondamentale pour l’architecture de distribution de puissance.
La conversion DC-DC est généralement réalisée avec des convertisseurs de puissance à mode commuté comme une topologie abaisseur ou élévateur ou des régulateurs à faible chute de tension (LDO). Bien que ces convertisseurs de puissance puissent être efficaces, ils limitent la flexibilité et les performances du réseau de distribution de puissance (PDN) en raison de la rigidité de leurs sorties et de leur rendement de conversion médiocre. Cela est particulièrement vrai lorsqu’on travaille avec les hautes tensions associées aux systèmes de batteries actuels.
Pour surmonter ces défauts, Vicor a développé des convertisseurs à rapport fixe offrant une conversion isolée et hautement efficace dans un petit module pour les charges de haute tension à basse tension, communément appelées basse tension de sécurité. Analogiquement à un transformateur dans une solution AC-AC, un convertisseur à rapport fixe effectue une conversion DC-DC avec la tension de sortie étant une fraction fixe de la tension d’entrée DC (Figure 1).
Figure 1. Un convertisseur bidirectionnel à rapport fixe fonctionnant comme un convertisseur abaisseur avec K = 1/12 peut également servir de convertisseur élévateur avec un K de 12/1. Cette bidirectionnalité dans un seul module ouvre plusieurs cas d’utilisation sans précédent pour l’industrie des batteries. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Tout comme les capacités d’abaissement ou d’élévation d’un transformateur définies par le rapport de tours de la bobine, les capacités d’un convertisseur à rapport fixe sont définies par son facteur K, exprimé comme une fraction relative à sa capacité d’abaissement de tension (Figure 2).
Contrairement aux convertisseurs DC-DC traditionnels qui régulent la tension de sortie, un convertisseur à rapport fixe ne fournit aucune régulation de sortie. Ces dispositifs sont également autonomes, ne nécessitant aucun boucle de rétroaction ni mécanisme de contrôle externe.
Les convertisseurs à rapport fixe offrent plusieurs avantages notables par rapport aux convertisseurs traditionnels.
Bidirectionnalité
Ces dispositifs sont intrinsèquement bidirectionnels puisque les convertisseurs à rapport fixe fonctionnent indépendamment d’un hôte ou d’un contrôleur externe. Cela signifie que, selon la direction du flux de courant, le même module de convertisseur à rapport fixe abaissera ou élèvera la tension. En réalisant l’élévation et l’abaissement de tension avec un seul module, les convertisseurs à rapport fixe débloquent une flexibilité et une simplicité sans précédent pour les PDN qui reposent sur le flux de courant bidirectionnel.
Flexibilité et évolutivité
Les convertisseurs à rapport fixe sont extrêmement faciles à mettre en parallèle pour des besoins de puissance plus élevés. Les concepteurs peuvent facilement ajouter plusieurs modules de convertisseurs à rapport fixe en parallèle pour adapter un système aux demandes de puissance de sortie requises. De même, les concepteurs peuvent placer plusieurs convertisseurs à rapport fixe en série pour obtenir des rapports de tension uniques basés sur leurs facteurs K en cascade. Dans ces cas, les convertisseurs doivent être appariés en puissance pour assurer un fonctionnement sûr et fiable.
Figure 2. Avec le support d’une large gamme de configurations de facteurs K et de puissances de sortie différentes, les convertisseurs à rapport fixe Vicor BCM peuvent répondre aux besoins de la plupart des applications. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Enfin, les convertisseurs à rapport fixe sont inégalés en termes d’efficacité énergétique à partir d’un encombrement réduit. Tandis qu’un convertisseur abaisseur ou élévateur conventionnel atteint des efficacités de puissance maximales dans la plage basse des 90%, les convertisseurs à rapport fixe démontrent des efficacités de conversion allant jusqu’à près de 98%, ce qui conduit à des applications plus durables avec une demande réduite pour la gestion thermique.
Formation des cellules de la batterie
La première étape du cycle de vie d’une batterie est la phase de formation des cellules.
Dans cette phase, les nouvelles batteries fabriquées doivent subir le processus de formation, consistant à charger et décharger une cellule pour la première fois. Au cours de ce processus, une cellule est cyclée de manière répétée pour construire progressivement la couche interphasique solide-électrolyte (SEI) de la cellule. La vitesse de ce processus est déterminée par la chimie de la cellule, donc la latence de formation est principalement un processus à vitesse fixe.
Le cyclage de formation dans la batterie nécessite un réseau de distribution de puissance (PDN) capable de supporter les cycles de charge et de décharge répétitifs.
Le PDN standard pour un tel système prend une entrée AC triphasée du réseau, la rectifie en haute tension DC, puis utilise plusieurs phases de conversion DC-DC pour atteindre la tension nominale requise pour charger une cellule de batterie (par exemple, 4,2 V) (Figure 3). Cette tension finale requise pour la charge des batteries varie d’une usine à l’autre en fonction de la chimie spécifique des cellules, mais les plusieurs chutes de tension intermédiaires de la AC à une tension de bus DC inférieure, comme 12 V, sont standard dans l’industrie.
Les solutions à composants discrets sont extrêmement difficiles à concevoir, nécessitent une expertise interne significative en puissance, ont une nomenclature importante qui présente des défis en termes de coûts et de chaîne d’approvisionnement, et augmentent le temps de mise sur le marché. Les solutions discrètes limitent la flexibilité car elles offrent des tensions de sortie prédéfinies. Là où différentes chimies de cellule nécessitent différentes tensions, il est plus rentable pour les concepteurs de créer une solution flexible qu’ils peuvent modifier en fonction de la chimie des cellules. Les solutions discrètes ne permettent pas de systèmes de formation de cellules flexibles pouvant être modifiés dynamiquement pour être compatibles avec plusieurs types de cellules.
Deux défis majeurs existent avec les PDN dans la formation des batteries : le débit et l’efficacité.
Du point de vue du débit, la chimie des cellules limite intrinsèquement la vitesse à laquelle les fabricants peuvent former la couche SEI d’une batterie. Par conséquent, améliorer le rapport coût-efficacité du processus de formation des cellules nécessite des systèmes évolutifs capables de former de nombreuses batteries en parallèle. Cependant, avec les PDN existants, l’absence d’une phase modulaire de conversion DC-DC intermédiaire limite la capacité à faire évoluer facilement un système sans modifications de conception majeures.
La charge et la décharge constantes des cellules sont coûteuses d’un point de vue efficacité. Pour optimiser l’efficacité, les fabricants de batteries réutilisent l’énergie dépensée lors des cycles de charge des cellules en la stockant localement ou en la renvoyant au réseau lors des cycles de décharge. Cela nécessite un PDN supportant le flux de courant bidirectionnel et effectuant une conversion de puissance haute efficacité.
Dans les deux cas, les convertisseurs à rapport fixe sont des solutions idéales. En intégrant un convertisseur à rapport fixe dans le PDN, les concepteurs peuvent redéfinir l’architecture en trois phases distinctes : la rectification AC, la transformation en basse tension, et la conversion en courant constant (convertisseur de bus).
Dans la phase de conversion en courant constant, les concepteurs peuvent mettre en œuvre des convertisseurs à rapport fixe pour abaisser facilement le niveau DC plus élevé à un niveau plus sûr et plus bas sans avoir besoin de composants discrets ou de solutions monoblocs. En intégrant simplement un ou plusieurs convertisseurs à rapport fixe en parallèle, les concepteurs peuvent créer un réseau de distribution de puissance modulaire et évolutif.
De cette manière, les concepteurs peuvent réaliser des systèmes qui cyclent de nombreuses batteries simultanément, permettant un débit plus élevé, une plus grande densité de puissance et une efficacité améliorée. De plus, cette architecture permet aux concepteurs de modifier facilement le PDN pour s’adapter à la conversion DC-DC requise pour la tension nominale unique d’une cellule. Avec une solution plus flexible ne nécessitant pas de composants discrets, les conceptions atteignent le marché plus rapidement et sont moins sujettes aux défaillances.
La nature intrinsèquement bidirectionnelle d’un convertisseur à rapport fixe est idéale dans le processus de formation des cellules pour la conservation de l’énergie. Avec des convertisseurs à rapport fixe, les fabricants de cellules peuvent facilement basculer entre les cycles de charge et de décharge, en sachant que le convertisseur à rapport fixe s’élèvera automatiquement à une tension plus élevée prédéfinie lors de la décharge et la fera de même lors des cycles de charge. Cette fonctionnalité unique améliore l’efficacité énergétique du processus, permettant la réutilisation de l’énergie durant le cyclage de formation.
De plus, avec une efficacité de 97,9 % des convertisseurs à rapport fixe, le cycle de conversion présente une perte de puissance minimale dans les deux directions. Sans convertisseurs à rapport fixe, une telle bidirectionnalité nécessiterait plusieurs composants (un pour l’abaisseur et un pour l’élévateur). Cela consommerait plus de puissance en raison des rendements inférieurs et du nombre accru de composants.
Figure 3. Les fabricants de batteries peuvent utiliser des convertisseurs à rapport fixe pour intégrer la bidirectionnalité et l’efficacité dans les réseaux de distribution de puissance de la formation des cellules. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Tests des batteries
La prochaine étape du cycle de vie des batteries est le test des batteries, où les fabricants combinent des cellules de batterie pour former des packs de batteries plus grands. La production de packs de batteries n’est pas contrainte par les mêmes exigences de temps dépendantes de la chimie liées à la charge et à la décharge des cellules, mais elle fait toujours face à des défis similaires en matière de débit.
Par exemple, chaque cellule doit être correctement testée et mesurée avec précision pour combiner plusieurs cellules afin de former un pack de batteries plus grand. Ensuite, le pack de batteries plus grand doit également être rigoureusement testé. Ce n’est pas une étape à valeur ajoutée, donc plus les fabricants terminent ce processus rapidement, plus le coût global du pack de batteries est faible.
La flexibilité et l’évolutivité d’un PDN sont nécessaires pour s’adapter à une grande variété de tensions et de niveaux de puissance des batteries, et un débit élevé est nécessaire pour tester plus de batteries dans le même espace physique et en moins de temps. Les testeurs de packs de batteries ont donc besoin de réseaux de distribution de puissance modulaires et évolutifs aux besoins spécifiques de leurs exigences de test et volumes. Comme dans la phase de formation des cellules, le PDN standard d’une installation de test de batteries implique de convertir la puissance de l’AC triphasée à la tension nominale de la cellule (Figure 4).
Avec les convertisseurs à rapport fixe dans la phase de conversion en courant constant du PDN, les concepteurs de test de batteries peuvent éviter de concevoir laborieusement les étapes de conversion intermédiaires. Au lieu de cela, ils peuvent faire confiance à la conversion en courant constant gérée par le convertisseur à rapport fixe. Les concepteurs peuvent maintenant se concentrer sur la dernière étape du processus de conversion, où les tensions doivent correspondre à la tension nominale de la cellule pour les tests. Cette architecture simplifiée crée des systèmes modulaires et flexibles que les concepteurs peuvent facilement modifier pour diverses exigences de test.
Un autre avantage important des convertisseurs à rapport fixe est la densité de puissance. Avec des efficacités de puissance extrêmement élevées et des formats compacts, les convertisseurs à rapport fixe peuvent supporter des kilowatts de puissance et des centaines de volts dans des formats parmi les plus compacts de l’industrie. Cela aide à supporter des testeurs à débit élevé en permettant à plus d’équipements de test de s’insérer dans les mêmes contraintes d’espace, créant ainsi l’opportunité de tester plus de cellules de batterie simultanément.
Figure 4. Les convertisseurs à rapport fixe débloquent des niveaux de densité de puissance élevés pour les réseaux de distribution de puissance des tests de batterie, permettant un débit de testeur plus élevé en insérant plus d’équipements de test dans la même zone. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Défis du PDN dans le monde réel
Lorsque la batterie atteint enfin le sol de l’usine et entre dans une application réelle, les défis du PDN ne s’arrêtent pas.
Il existe une demande croissante pour des réseaux de distribution de puissance extrêmement haute tension dans de nombreuses applications émergentes alimentées par batterie, telles que la robotique tethered ou les VOR, les systèmes de stockage d’énergie pour les énergies renouvelables comme le solaire et l’éolien, et les véhicules électriques (Figure 5). Par exemple, les véhicules électriques voient une transition de l’architecture de distribution de puissance de 400 V à 800 V pour une plus grande puissance et efficacité.
Des niveaux de tension plus élevés permettent une distribution de puissance à des courants plus faibles pour la même puissance. Par conséquent, un avantage de la distribution de puissance haute tension est une plus grande efficacité, car les courants plus faibles entraînent moins de pertes I2R. Cela permet des applications plus efficaces nécessitant également moins de gestion thermique.
De plus, la distribution de puissance haute tension diminue le calibre des fils dans les faisceaux de câbles des véhicules. Avec des exigences de distribution de courant plus faibles, les concepteurs peuvent utiliser des câbles de diamètre plus petit, ce qui réduit le poids du système, les besoins en matériaux et le coût.
Naturellement, le bon fonctionnement de tels systèmes haute tension repose sur la capacité à convertir ces hautes tensions utilisées dans la distribution à des tensions plus basses utilisées à la charge. À ce stade du cycle de vie de la batterie, les convertisseurs à rapport