Gestion thermique des batteries · Glossaire

La gestion thermique des batteries désigne la saisie, la limitation, la répartition et la régulation ciblées de la chaleur dans un système de batterie. Il ne s'agit pas seulement de refroidissement. Une gestion thermique complète maintient les cellules de batterie dans une plage de température où elles fonctionnent de manière performante, efficiente, avec peu de vieillissement et en toute sécurité. Elle maintient en outre de faibles écarts de température entre les cellules. Y contribuent des capteurs de température, des circuits d'air ou de liquide, des matériaux conducteurs de chaleur, la conception du boîtier, le logiciel du système de gestion de batterie, des limites de charge et de décharge et, dans de nombreuses applications, également un chauffage actif.

La notion est centrale, car les batteries sont des accumulateurs électrochimiques dont le comportement dépend fortement de la température. À chaque charge et décharge, des pertes se produisent, et une grande partie d'entre elles se transforme en chaleur. Plus le courant est élevé, plus la résistance interne est grande et plus l'état de charge ou la température de la cellule sont défavorables, plus la cellule s'échauffe. La chaleur n'est donc pas un aspect secondaire, mais une grandeur de fonctionnement. Elle influe sur la puissance, la durée de vie, la sécurité et la rentabilité.

La température comme grandeur de fonctionnement

La mesure s'effectue le plus souvent en degrés Celsius. Sur le plan technique, ce n'est toutefois pas une valeur isolée qui compte, mais la répartition et l'évolution de la température. Une cellule présente une température de surface, une température à cœur généralement plus élevée et un écart de température avec les cellules voisines. Les cellules lithium-ion conduisent mal la chaleur, surtout perpendiculairement à leurs couches. C'est pourquoi un accumulateur peut sembler normal en moyenne et présenter malgré tout des points chauds locaux. Ces points chauds apparaissent par exemple sur des groupes de cellules mal refroidis, au niveau de connexions à forte résistance de contact, dans des modules très compacts ou en cas de circulation d'air irrégulière.

Pour de nombreuses batteries lithium-ion, la plage de fonctionnement la plus favorable se situe approximativement à température ambiante. Des essais en laboratoire montrent que la durée de vie diminue nettement à la chaleur comme au froid. La plage exacte dépend de la chimie des cellules, de leur conception, de leur état de vieillissement, de l'état de charge et de l'application. Les fiches techniques et les conditions de garantie du fabricant font finalement foi. Des températures élevées accélèrent des réactions secondaires qui attaquent l'électrolyte, les électrodes et les couches interfaciales. La capacité utilisable diminue alors et la résistance interne augmente. Des températures basses ralentissent les réactions et augmentent elles aussi la résistance. La puissance disponible diminue alors et la charge devient plus difficile. Si des cellules froides sont chargées trop rapidement, un dépôt de lithium (lithium plating) peut se produire, c'est-à-dire le dépôt de lithium métallique sur l'anode. Cela endommage durablement la cellule et peut accroître le risque pour la sécurité.

La chaleur provient surtout des pertes ohmiques, c'est-à-dire du passage du courant à travers les résistances de la cellule et des connexions électriques. S'y ajoutent des pertes de polarisation aux électrodes. La chaleur ohmique augmente avec le carré du courant : à courant double, environ quatre fois plus de chaleur est produite. S'y ajoute une chaleur réversible, dite entropique. Elle dépend de l'état de charge et peut, selon le sens du courant, réchauffer ou refroidir. En pratique, cela signifie que la gestion thermique doit connaître le profil de charge. Un accumulateur rarement sollicité à forte puissance pose d'autres exigences qu'un accumulateur soumis à des charges et décharges rapides fréquentes.

Distinction avec la gestion de batterie, le refroidissement et la protection incendie

La gestion thermique des batteries est souvent assimilée au système de gestion de batterie (BMS). C'est inexact. Le BMS mesure les tensions des cellules, les températures et les courants, estime l'état de charge et l'état de vieillissement, donc l'état de santé (State of Health), assure l'équilibrage des cellules et fixe des valeurs limites. La gestion thermique fait partie de cet ensemble ou lui est étroitement couplée. Elle comprend toutefois aussi des composants mécaniques, thermiques et fluidiques qui ne sont pas du logiciel.

Le refroidissement n'en est lui aussi qu'une partie. Les véhicules électriques doivent souvent préchauffer leur batterie en hiver pour permettre la charge rapide ou une forte récupération d'énergie. Les accumulateurs stationnaires ont besoin de chauffage lorsque des conteneurs se trouvent dans des régions froides ou doivent être ramenés dans une plage de charge admissible après un arrêt prolongé. Un système qui ne sait que refroidir, mais ne dispose d'aucune stratégie pour le démarrage à froid, le préchauffage ou la réduction de la puissance de charge, ne possède pas de concept thermique complet.

La gestion thermique doit également être distinguée de la protection incendie. La gestion thermique vise à empêcher les températures critiques et à limiter les écarts entre cellules. La protection incendie s'occupe de la détection, du confinement, de l'extinction, de l'évacuation des gaz, de la séparation constructive et des concepts d'intervention au cas où un défaut s'aggraverait. Les deux domaines se recoupent, mais ne se remplacent pas. Un refroidissement puissant ne protège pas contre tous les défauts internes des cellules. Et un bon concept de protection incendie ne rend pas acceptable une gestion thermique faible si celle-ci entraîne, en fonctionnement normal, du vieillissement, des défaillances ou des arrêts.

Pourquoi les batteries doivent piloter activement la chaleur

Une installation de batteries n'est pas un accumulateur passif comme un réservoir. La capacité utilisable, le rendement et la puissance disponible dépendent de l'état actuel des cellules, et la température compte parmi les grandeurs d'état les plus importantes. Un accumulateur froid peut contenir de l'énergie et pourtant ne pas pouvoir l'absorber ou la restituer à la puissance souhaitée. Un accumulateur chaud paraît performant à court terme, mais vieillit plus vite s'il est exploité durablement à une température trop élevée.

Pour les accumulateurs à batteries du système électrique, cela apparaît de façon particulièrement nette. Les grandes installations, souvent appelées BESS (Battery Energy Storage Systems), sont utilisées pour l'énergie de réglage, le négoce d'électricité et l'arbitrage, le report de charge, les services au réseau ou en association avec des parcs solaires et éoliens. Ces applications sollicitent la batterie thermiquement de manières très différentes. Le réglage de fréquence génère de nombreux changements de puissance brefs. L'arbitrage peut signifier que l'on charge et décharge à forte puissance pendant plusieurs heures. Les fonctions de soutien au réseau sont rarement sollicitées, mais doivent alors être disponibles de manière fiable. Si la gestion thermique ne correspond pas au profil d'utilisation, la puissance disponible diminue précisément quand l'accumulateur est nécessaire.

Ici, la différence entre énergie et puissance est déterminante. La capacité s'exprime en kilowattheures ou en mégawattheures, la puissance en kilowatts ou en mégawatts. Un accumulateur à grande quantité d'énergie peut être limité thermiquement s'il doit absorber ou restituer cette énergie rapidement. Un taux C (C-rate) élevé, c'est-à-dire un courant de charge ou de décharge élevé par rapport à la capacité, génère davantage de chaleur et impose des exigences plus élevées à la chimie des cellules, aux voies de refroidissement et à la régulation. Exemple : un accumulateur de 100 MWh déchargé en une heure (1C) doit évacuer nettement plus de chaleur que le même accumulateur déchargé en quatre heures (0,25C). Sont donc déterminants la puissance, la durée des phases de puissance, la densité de compactage des cellules et l'évolution de la température ambiante.

Chimie des cellules, format et application

Toutes les batteries n'ont pas besoin de la même gestion thermique. Les cellules lithium-fer-phosphate (LFP) sont considérées comme thermiquement plus stables que les cellules à cathode NMC (nickel-manganèse-cobalt). Malgré cela, les batteries LFP ne se passent pas non plus d'un contrôle de la température. Elles vieillissent elles aussi plus vite à température défavorable, perdent en aptitude à la charge par temps froid et peuvent devenir dangereuses en cas de défauts locaux. La stabilité supérieure modifie le profil de risque. Les exigences en matière d'exploitation, de surveillance et de dimensionnement demeurent.

Le format joue aussi un rôle. Les cellules cylindriques, prismatiques et pouch dissipent la chaleur différemment. Dans de grandes cellules prismatiques apparaissent d'autres écarts de température que dans de petites cellules rondes. Les cellules pouch se refroidissent bien par leur surface, mais doivent être maintenues mécaniquement et se dilatent. Dans les modules et les racks s'ajoutent d'autres obstacles à l'évacuation de la chaleur : supports de cellules, barres de courant, couches isolantes et de protection incendie et pièces du boîtier déterminent comment la chaleur passe de la cellule au fluide de refroidissement.

Les véhicules électriques et les accumulateurs stationnaires ont des conditions aux limites différentes. Dans le véhicule comptent l'encombrement, le poids, l'aptitude à la charge rapide, la sécurité en cas de collision et le confort, et la gestion thermique est le plus souvent couplée au chauffage et à la climatisation du véhicule. Pour les installations stationnaires, les besoins en surface, la maintenabilité, les distances de protection incendie, la climatisation des conteneurs, le bruit, l'autoconsommation et la disponibilité sont au premier plan. Elles disposent généralement de plus de place pour le refroidissement, mais concentrent dans un conteneur de fortes charges thermiques dans un espace réduit. Elles restent en outre des années au même endroit, où la poussière, l'air salin, les périodes de canicule, le gel ou une forte humidité peuvent solliciter le concept thermique.

Concepts de refroidissement et leurs conséquences

Le refroidissement par air est simple, robuste et relativement bon marché. Des ventilateurs et des conduits d'air évacuent la chaleur des modules ou des racks. Son efficacité dépend de la conduite des flux, de l'état des filtres et de l'écart de température avec l'environnement. À volume égal, l'air absorbe beaucoup moins de chaleur que les liquides et la conduit moins bien. À forte densité de puissance ou lorsque les températures des cellules doivent être très homogènes, le refroidissement par air atteint donc ses limites.

Le refroidissement par liquide absorbe la chaleur plus près des cellules et l'évacue plus uniformément. Il permet des densités de puissance plus élevées et un contrôle plus précis de la température. En contrepartie, il nécessite des composants supplémentaires susceptibles de tomber en panne : pompes, conduites, joints, échangeurs de chaleur et une surveillance du liquide de refroidissement, ainsi que plus de maintenance. Une fuite à proximité de composants électriques constitue un autre risque qu'un ventilateur défaillant. Le choix entre air et liquide n'est donc pas une pure question d'efficacité. Il s'agit des coûts, de la maintenance, du comportement en cas de défaillance, des preuves de sécurité et des profils d'exploitation que l'accumulateur doit durablement satisfaire.

Certains systèmes utilisent des circuits frigorifiques, des fonctions de pompe à chaleur ou des plaques froides à écoulement direct. Les éléments passifs comptent aussi : tampons thermoconducteurs, matériaux à changement de phase, isolations, espacements entre modules et matériaux de boîtier contribuent à déterminer si la chaleur se répartit uniformément ou s'accumule en certains points. Les mesures passives amortissent les pics de température. Elles ne remplacent toutefois pas une régulation lorsque le système doit fonctionner longtemps à forte puissance.

La consommation électrique de la gestion thermique est parfois sous-estimée dans les calculs de rentabilité. Ventilateurs, pompes, groupes frigorifiques et chauffages ont besoin d'énergie auxiliaire. Cela réduit le rendement net de l'installation, c'est-à-dire le rendement aller-retour (round-trip efficiency) au niveau de l'installation. Un accumulateur qui absorbe beaucoup d'électricité photovoltaïque en journée l'été doit évacuer la chaleur ainsi produite précisément lorsqu'il fait chaud à l'extérieur. Les coûts ne se limitent alors pas à un investissement unique dans la technique de refroidissement, mais comprennent aussi l'énergie auxiliaire en continu et éventuellement une limitation de puissance.

Vieillissement, garantie et exploitation économique

La gestion thermique est un facteur économique, car la dégradation détermine la valeur d'un accumulateur. Il s'agit du vieillissement de la batterie : la capacité utilisable diminue et la résistance interne augmente. Avec une capacité moindre, l'accumulateur peut déplacer moins d'énergie dans le temps. Avec une résistance interne plus élevée, une même puissance entraîne plus de pertes et plus de chaleur. Il peut en résulter un cercle vicieux : le vieillissement produit plus de chaleur, et plus de chaleur accélère le vieillissement si la stratégie d'exploitation n'est pas adaptée. L'homogénéité de la température est elle aussi importante. Dans une étude de modélisation, un gradient de température de seulement 3 °C au sein d'une cellule a accéléré le vieillissement de 300 pour cent dans le cas examiné. Il s'agit d'un cas isolé simulé, mais il montre à quel point le vieillissement peut réagir de manière sensible à des températures inégales.

Les garanties des accumulateurs à batteries comportent donc souvent des conditions relatives à la température, à l'état de charge, au nombre de cycles, au taux C, aux fenêtres de fonctionnement et aux conditions ambiantes. Un exploitant n'achète donc pas simplement des mégawattheures, mais le droit d'utiliser l'accumulateur dans des limites définies. Le respect de ces limites dépend aussi de la gestion thermique. Celui qui vise des recettes élevées par une utilisation intensive doit intégrer les coûts supplémentaires liés à la chaleur et au vieillissement. Sinon, un modèle d'affaires paraît meilleur sur le papier qu'en exploitation réelle.

Dans les grands projets, il s'agit aussi de savoir comment le risque est réparti entre le fabricant de cellules, l'intégrateur, l'exploitant, l'assureur et le prestataire de maintenance. Lorsqu'une installation vieillit de manière thermiquement anormale, il faut clarifier si la cause est la qualité des cellules, la conception du conteneur, la stratégie de régulation, le profil d'exploitation ou le site. Sans données de température fiables, il est difficile d'y répondre. La capteurologie, la journalisation et l'accès aux données d'exploitation déterminent si les problèmes peuvent être détectés tôt et attribués proprement sur le plan contractuel.

Sécurité et emballement thermique

L'emballement thermique (Thermal Runaway) est un processus auto-entretenu dans une cellule de batterie. Si une cellule est suffisamment échauffée par un court-circuit interne, un dommage mécanique, une surcharge, un échauffement externe ou d'autres défauts, des réactions se déclenchent qui libèrent elles-mêmes de la chaleur. Si cette chaleur se forme plus vite qu'elle ne peut être évacuée, la température continue de monter. Des gaz peuvent alors s'échapper, la pression monter et les gaz s'enflammer. Les cellules voisines sont échauffées et peuvent à leur tour s'emballer. C'est ce que l'on appelle la propagation thermique.

La gestion thermique réduit la probabilité de températures critiques en fonctionnement normal et peut compliquer la propagation d'un événement thermique. Elle n'empêche toutefois pas chaque défaut de cellule, car un défaut interne peut aussi survenir dans un système bien refroidi. La sécurité des batteries nécessite donc plusieurs niveaux : qualité des cellules, fonctions de protection électriques, surveillance de la température, séparation mécanique, protection incendie, évacuation des gaz, concepts de mise hors service et planification des interventions. Le refroidissement est l'un de ces niveaux, non l'ensemble de l'architecture de sécurité.

Un malentendu fréquent consiste à traiter l'emballement thermique comme une surchauffe ordinaire. Un accumulateur surchargé s'échauffe et peut être bridé par la régulation. L'emballement thermique est en revanche un cas de défaut doté de sa propre dynamique. Une fois les réactions amorcées dans une cellule, un refroidissement normal ne suffit souvent plus à les arrêter dans cette cellule. La question de sécurité ne porte donc pas seulement sur la manière dont un système évacue la chaleur en fonctionnement normal. Elle porte aussi sur la manière dont il détecte les défauts, les limite et les empêche de gagner d'autres modules ou racks.

Cadre juridique dans l'UE

Dans l'UE, le règlement (UE) 2023/1542 du 12 juillet 2023 relatif aux batteries s'applique aux batteries. Il est directement applicable et n'a pas à être transposé en droit national. L'article 12 exige que les systèmes stationnaires de stockage d'énergie par batterie mis sur le marché ou mis en service soient sûrs en fonctionnement normal et dans le cadre d'une utilisation conforme à leur destination. Depuis le 18 août 2024, la documentation technique doit démontrer que ces systèmes ont été testés, selon l'état de la technique, au regard des paramètres de sécurité de l'annexe V. Ils doivent en outre évaluer les dangers que l'annexe V ne couvre pas.

L'annexe V mentionne onze paramètres de sécurité. Parmi eux figurent des essais portant sur le court-circuit externe, la surcharge, la propagation de la chaleur lors de l'emballement thermique d'une cellule, ainsi qu'un essai au feu. Les paramètres ne sont à appliquer que si, dans les conditions d'utilisation prévues par le fabricant, un danger correspondant existe. Le règlement ne prescrit aucun concept de refroidissement particulier. Il exige une preuve de sécurité pour le produit, et la gestion thermique en est une partie essentielle. Pour la construction, l'autorisation et la protection incendie sur le site s'appliquent en outre des prescriptions nationales et régionales ainsi que des normes techniques, qui diffèrent selon le pays et la taille de l'installation.

Interprétations erronées typiques

« Si la batterie se situe dans la plage de température admissible, tout va bien. » Cette affirmation néglige les écarts de température. Les cellules plus chaudes vieillissent plus vite, les plus froides sont davantage limitées à la charge. Dans des groupes de cellules montés en série, c'est souvent la cellule la plus défavorable qui détermine comment l'ensemble du système peut être exploité. Les écarts entre cellules deviennent ainsi un problème pour la puissance et la durée de vie.
« Le refroidissement n'est important que dans les pays chauds. » Le froid peut fortement limiter l'aptitude à la charge. Pour les véhicules électriques, cela se manifeste par une puissance de charge rapide plus faible et une récupération d'énergie plus faible. Les accumulateurs stationnaires doivent éventuellement être chauffés avant certaines périodes d'utilisation ou ne peuvent participer au marché que de façon limitée par temps froid.
« Beaucoup de puissance frigorifique signifie un bon dimensionnement. » Une installation frigorifique puissante peut masquer des erreurs de conception, mais coûte plus cher en acquisition, en énergie auxiliaire et en maintenance. Mieux vaut un dimensionnement qui absorbe la chaleur là où elle se produit, guide les flux uniformément, place les capteurs à des endroits significatifs et couple l'exploitation à l'état réel des cellules.
« Le site détermine la charge thermique. » Deux accumulateurs identiques au même endroit peuvent être sollicités très différemment s'ils sont exploités différemment. La température extérieure donne le cadre, mais la charge thermique interne résulte du profil d'exploitation.

Importance pour le système électrique

Avec davantage de production renouvelable, le besoin de flexibilité à court terme augmente. Les accumulateurs à batteries peuvent absorber des pics d'injection, réduire des pointes de charge, fournir de l'énergie de réglage et atténuer des congestions du réseau. Cela ne réussit toutefois que s'ils sont disponibles et fournissent effectivement la puissance promise. Si un accumulateur doit se brider par forte chaleur, ne peut pas charger assez vite par temps froid ou perd plus tôt de la puissance en raison d'un vieillissement thermique, il contribue moins à la sécurité d'approvisionnement et aux marchés de flexibilité.

Les accumulateurs sont de plus en plus planifiés comme éléments de portefeuilles plus vastes : des agrégateurs regroupent de nombreuses installations, des développeurs combinent des accumulateurs avec des parcs solaires et éoliens, des entreprises écrêtent ainsi leurs pointes de charge. Dans tous les cas, la puissance promise n'est fiable que si les limites thermiques sont connues et intégrées dans les prévisions. Une batterie peut être techniquement très flexible, mais la flexibilité qu'elle peut réellement offrir est limitée thermiquement. Des changements de sens fréquents, de grands sauts de puissance et de courtes pauses compliquent l'évacuation de la chaleur et l'équilibrage des températures. Celui qui évalue la flexibilité d'un accumulateur devrait donc considérer non seulement les mégawatts et mégawattheures installés, mais aussi la puissance continue, les fenêtres de température, la réserve de refroidissement et les coûts de vieillissement.

Planification, exploitation et responsabilités

La gestion thermique doit être intégrée tôt dans la planification. Elle concerne le choix du site, les distances entre conteneurs, la prise d'air, l'ombrage, la protection contre le bruit, l'accès pour la maintenance, la protection incendie et le dimensionnement électrique. Si des ventilateurs soufflent de l'air évacué chaud dans la zone d'aspiration du conteneur voisin, les installations se chauffent mutuellement. Si un conteneur se trouve en plein soleil sans bonne conduite de l'air, le besoin en énergie auxiliaire augmente. Les filtres peuvent se colmater par la poussière ou le pollen et réduire le débit d'air. Cela ressemble à des sujets de construction, mais influe directement sur les températures des cellules et sur les recettes.

En exploitation, la gestion thermique est une tâche de régulation. Le système décide quand refroidir ou chauffer, quand limiter la puissance et quelles températures de cellules sont déterminantes pour cela. La régulation peut être prudente et limiter le vieillissement, ou viser davantage les recettes à court terme. Un accumulateur qui fonctionne souvent à ses limites thermiques peut écouler davantage, mais vieillit plus vite. Cet arbitrage est pertinent sur les plans économique et contractuel.

De nombreux acteurs sont impliqués dans la gestion thermique. Les fabricants fixent les limites des cellules. Les intégrateurs conçoivent modules, racks et conteneurs. Les exploitants déterminent les profils d'utilisation. Les prestataires de maintenance vérifient la capteurologie, les filtres, le liquide de refroidissement et la régulation. Les assureurs et les autorités d'autorisation évaluent les risques d'incendie et de défaillance. Les services d'incendie ont besoin d'informations sur la mise hors tension, l'accès, le dégagement de gaz et les déroulements possibles d'un événement. Si ces responsabilités ne s'articulent pas, des lacunes apparaissent. Un système peut être livré conformément aux normes et pourtant vieillir défavorablement sous un profil d'exploitation donné ou soulever, dans la procédure d'autorisation, des questions sur la limitation des accidents.

Ce que la notion rend visible

La gestion thermique des batteries montre que la performance d'un accumulateur à batteries ne découle pas uniquement de la chimie des cellules, de la capacité et de la puissance de l'onduleur. Entre la cellule et la contribution utilisable dans le système électrique se trouvent des chemins thermiques, des algorithmes de régulation, des fonctions de protection et des limites de fonctionnement. Ils déterminent si un accumulateur atteint durablement ses valeurs nominales, à quel point il vieillit, combien d'énergie auxiliaire il requiert et avec quelle robustesse il réagit aux défauts.

La notion seule ne dit toutefois pas si un système donné est bon ou mauvais. Pour cela, il faut considérer ensemble la chimie des cellules, la structure des modules, le concept de refroidissement, la capteurologie, le profil d'exploitation, le site, la maintenance et les preuves de sécurité. Le refroidissement par liquide n'est pas supérieur en soi, une installation LFP n'est pas automatiquement sans risque, et une puissance nominale élevée dit peu de chose de l'aptitude thermique en continu. La gestion thermique des batteries est l'interface entre électrochimie, construction d'installations, sécurité et rentabilité. Elle traduit la chaleur en décisions d'exploitation concrètes : charger, décharger, limiter, refroidir, chauffer, arrêter ou continuer.

Sources

Verordnung (EU) 2023/1542 über Batterien und Altbatterien — Europäisches Parlament und Rat der EU (EUR-Lex); 2023-07-12. Artikel 12 und Anhang V
Sicherheitsleitfaden Lithium-Ionen-Großspeichersysteme — Bundesverband Energiespeicher Systeme (BVES); 2023 (laut URL März 2023). Abschnitt 3.2.1 Europäische Batterieverordnung
Battery Pack Thermal Design — National Renewable Energy Laboratory (NREL); unbekannt (NREL-Dokument FY2016). Folien zu Temperatureinfluss und Thermomanagement im Normalbetrieb
Effect of thermal gradients on inhomogeneous degradation in lithium-ion batteries — Communications Engineering (via PubMed Central); 2023 (laut DOI-Jahrgang). Abstract
Connected Li-ion Battery Energy Storage System — National Renewable Energy Laboratory (NREL); unbekannt (NREL-Dokument FY2017). Abschnitte zu Alterungsfaktoren und Einfluss des Thermomanagements auf die Lebensdauer

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Edited by eCMS on 11.11.2026 15:14