Sécurité des batteries de véhicules électriques et gestion des défaillances

La batterie de traction d’un véhicule électrique doit rester isolée électriquement, protégée mécaniquement et stable thermiquement, tout en stockant assez d’énergie pour déplacer le véhicule. Sa sécurité repose donc sur plusieurs barrières complémentaires, depuis les matériaux des cellules et la structure du pack jusqu’à la surveillance, aux dispositifs de coupure en cas de collision et aux procédures d’urgence.

Comment les défaillances d’une batterie se développent

Une batterie en bon état ne passe normalement pas directement d’un fonctionnement normal à un incendie. Un événement grave commence généralement par un défaut électrique, mécanique, thermique ou de fabrication, qui crée un échauffement local ou un chemin de courant involontaire.

Les événements déclencheurs possibles comprennent :

Un court-circuit interne causé par une contamination, un séparateur endommagé ou un défaut de cellule
Un court-circuit externe dans le câblage, les barres omnibus ou l’électronique de puissance
Une surcharge ou une décharge excessivement profonde après une défaillance de commande ou de détection
Des dommages dus à l’écrasement, à la flexion, à la perforation ou aux vibrations
Un échauffement ou un incendie extérieur
De l’eau ou une contamination conductrice atteignant des composants haute tension endommagés
Une connexion desserrée, corrodée ou à forte résistance qui chauffe sous charge
Une recharge en dehors de la plage de tension ou de température autorisée

Le défaut initial et ses conséquences ultérieures constituent des étapes différentes de l’événement. Un fusible peut par exemple interrompre un courant externe élevé, mais il ne peut pas supprimer l’énergie déjà stockée chimiquement dans une cellule endommagée.

Courts-circuits internes

Un court-circuit interne relie des parties d’une cellule qui devraient rester électriquement séparées. La zone touchée peut être extrêmement petite, ce qui rend parfois le défaut difficile à détecter avant qu’il ne produise assez de chaleur pour endommager les matériaux environnants.

Certains courts-circuits internes se stabilisent ou font perdre de la capacité à la cellule sans évoluer davantage. D’autres produisent un échauffement local croissant. Le résultat dépend de la résistance du court-circuit, de la chimie et de la construction de la cellule, de son état de charge, de sa température et de la capacité du système à évacuer la chaleur du défaut.

Le système de gestion de la batterie peut détecter une tension, un courant ou une température anormale lorsque l’effet devient mesurable par ses capteurs. Il ne peut pas observer directement chaque défaut microscopique dans toutes les couches d’électrodes.

Emballement thermique

L’emballement thermique est une succession auto-accélérée de réactions internes. La chaleur produite dans la cellule augmente sa température, ce qui accélère d’autres réactions et génère encore davantage de chaleur.

Une cellule en emballement thermique peut évacuer des gaz chauds et inflammables, de la fumée, des vapeurs d’électrolyte et des matières solides. La quantité, la direction et la température des éléments libérés dépendent du format, de la chimie, de l’état de charge et de la construction de la cellule, ainsi que du mode de déclenchement de la défaillance. Les travaux répertoriés par le National Laboratory of the Rockies montrent que la géométrie de la cellule et la méthode d’essai abusif peuvent modifier sensiblement le dégagement de chaleur, la dynamique interne et les matières éjectées. (National Laboratory of the Rockies â€” Transportation Energy Storage Publications)

L’emballement thermique d’une cellule ne signifie pas automatiquement que tout le pack brûlera. Il y a propagation lorsque la chaleur, les flammes, les gaz chauds ou les matières éjectées provoquent la défaillance de cellules voisines. Les concepteurs de packs cherchent donc à maîtriser à la fois la première défaillance de cellule et le transfert d’énergie aux cellules adjacentes.

Événements retardés

Un dommage peut créer un danger différé. Une cellule écrasée, un joint compromis, un connecteur contaminé ou un circuit de refroidissement endommagé peut sembler initialement stable, puis développer un court-circuit ultérieurement.

C’est pourquoi un véhicule ayant subi un choc important sous le soubassement, une inondation ou des dommages à la batterie peut nécessiter des procédures d’isolation, de surveillance et de stockage, même en l’absence de fumée ou de chaleur visible. L’absence d’incendie immédiat ne prouve pas que le pack est intact.

Une protection allant de la cellule au véhicule

Aucun composant ne suffit à lui seul à rendre une batterie de véhicule électrique sûre. Le concept de sécurité repose sur plusieurs couches afin qu’un seul défaut ne supprime pas immédiatement toutes les formes de protection.

Protection au niveau de la cellule

La construction d’une cellule peut comprendre des séparateurs à fermeture thermique, des évents de surpression, des dispositifs de coupure du courant, des éléments à coefficient de température positif et des fusibles internes. Les dispositifs disponibles dépendent du format de cellule et ne sont pas identiques dans les cellules cylindriques, prismatiques et en poche.

La chimie de la cellule influe sur la tension, le dégagement de chaleur et la stabilité thermique, mais l’acronyme de la cathode ne peut pas déterminer à lui seul la sécurité du véhicule. La qualité de fabrication, la conception du séparateur, la quantité d’électrolyte, l’état de charge, la géométrie de la cellule et l’intégration au pack influencent également le résultat.

Le dégazage contrôlé est particulièrement important. L’enveloppe d’une cellule doit contenir la pression interne normale tout en offrant une voie d’évacuation définie avant qu’une rupture incontrôlée ne se produise. Le pack doit ensuite éloigner les gaz libérés des occupants et des composants électriques sensibles.

Protection au niveau du pack

Le pack batterie ajoute des barrières structurelles, thermiques et électriques autour des cellules. Selon la conception, celles-ci peuvent comprendre :

Un espacement entre les cellules et des barrières thermiques
Des plaques de refroidissement et des matériaux d’interface thermique
Des structures de compression pour les cellules en poche ou prismatiques
Une isolation résistante au feu
Des voies dirigées d’évacuation des gaz et de décharge de la pression
Une enveloppe étanche avec dégazage contrôlé
Des blindages sous le soubassement et des structures de protection contre les chocs latéraux
Des chemins d’efforts renforcés autour de l’habitacle
Une segmentation qui limite la propagation ou facilite l’isolement des défauts

L’enveloppe doit protéger les cellules sans emprisonner la pression de manière incontrôlée. Elle doit aussi concilier protection contre les collisions, refroidissement, masse, efficacité d’intégration, fabrication et accès pour l’entretien.

L’intégration structurelle peut accroître la rigidité et réduire la quantité de matériaux, mais elle peut aussi compliquer l’inspection et la réparation après un choc. Un pack participant à la structure du plancher doit toujours empêcher les intrusions, préserver l’isolation électrique et offrir un chemin sûr aux gaz évacués.

Protection haute tension

Le système haute tension utilise des contacteurs pour connecter ou déconnecter le pack du reste du véhicule. Des fusibles protègent contre les courants excessifs, tandis qu’un dispositif de coupure pyrotechnique peut interrompre rapidement un conducteur lors d’une collision grave.

Parmi les autres protections courantes figurent :

Des circuits d’interverrouillage haute tension qui détectent l’ouverture de connecteurs ou de couvercles
La surveillance de l’isolation entre le circuit haute tension et la carrosserie
Des circuits de précharge qui empêchent un courant d’appel important
Des dispositifs de déconnexion de service destinés aux techniciens qualifiés
Des connecteurs et blindages protégés contre les contacts accidentels
L’identification des câbles en orange et des étiquettes d’avertissement haute tension

L’ouverture des contacteurs déconnecte les bornes du pack des équipements haute tension extérieurs. Elle ne met pas les cellules ni les barres omnibus internes hors tension. Un pack déconnecté peut encore contenir plusieurs centaines de volts et une quantité d’énergie stockée considérable.

Surveillance et commande

Le BMS mesure la tension des groupes de cellules, le courant du pack et la température en certains points. Il estime l’état de charge et peut limiter la puissance de recharge ou de propulsion lorsque les conditions approchent les limites de la plage de fonctionnement autorisée.

Le BMS peut demander un refroidissement, un chauffage, une réduction du courant, l’ouverture des contacteurs ou l’affichage d’un avertissement au conducteur. La logique de diagnostic peut également comparer le comportement des capteurs, l’écart de tension entre les cellules, la résistance d’isolement et l’évolution de l’autodécharge.

La surveillance constitue une couche de prévention et de détection, et non un système de confinement physique. Une fois que des réactions auto-entretenues ont commencé dans une cellule, la gestion thermique ordinaire peut ne pas évacuer la chaleur assez rapidement pour les arrêter.

Sécurité en cas de collision, d’inondation et après un incident

La sécurité en cas de collision commence par empêcher l’habitacle ou des débris de la route de pénétrer dans le pack. Le véhicule doit ensuite gérer la haute tension et détecter les conditions susceptibles de provoquer un événement thermique retardé.

Euro NCAP indique que son évaluation des véhicules électriques en collision surveille la sortie de la batterie haute tension, vérifie l’absence de tension dangereuse dans la carrosserie et recherche toute intrusion, fuite, incendie ou chaleur anormale au niveau du pack. (Euro NCAP â€” Electric-Vehicle Safety Testing)

Le système de gestion des collisions peut ouvrir les contacteurs principaux ou déclencher un dispositif de coupure pyrotechnique lorsque les seuils d’impact sont atteints. Cela réduit le risque que des câbles extérieurs endommagés restent sous tension, mais ne permet pas de conclure que toutes les cellules internes sont intactes.

Inondation et exposition à l’eau

Un pack intact est étanche aux projections normales de la route et aux intempéries. Une inondation représente une situation différente, car le véhicule peut être submergé, frappé par des débris ou exposé à une contamination conductrice et corrosive.

Une exposition à l’eau ne signifie pas que toute batterie subira une défaillance. Une évaluation professionnelle reste néanmoins nécessaire pour garantir une intervention sûre, car une isolation, des connecteurs, des évents ou des joints endommagés peuvent créer des risques d’électrocution et d’incendie retardé. La NHTSA conseille aux propriétaires de véhicules exposés à une inondation et dont la batterie est suspectée d’être endommagée de contacter le constructeur, le concessionnaire ou les services d’urgence, plutôt que d’intervenir eux-mêmes sur le système haute tension. (NHTSA â€” Electric and Hybrid Vehicles: Battery, Charging and Safety)

Secours, remorquage et stockage

Les fiches de secours propres à chaque véhicule indiquent les composants haute tension, les zones de découpe, l’emplacement de la batterie et les points d’isolement. Les guides d’intervention d’urgence ajoutent des consignes concernant l’incendie, l’immersion, les fuites, le remorquage et le stockage. La NHTSA tient une base de données de guides fournis par les constructeurs à l’intention des intervenants. (NHTSA â€” Emergency Response Guides and Rescue Sheets)

La procédure correcte peut varier selon le modèle et la conception de la batterie. Les services de secours et les opérateurs de dépannage doivent consulter le guide du véhicule exact, plutôt que de supposer que le point d’isolement, l’emplacement de levage ou les consignes de stockage sont identiques d’une marque à l’autre.

Un véhicule électrique endommagé peut devoir être tenu à distance des bâtiments et des autres véhicules, faire l’objet d’une surveillance de température ou être placé dans une zone de stockage dédiée. Les règles de transport distinguent également les batteries intactes des batteries endommagées, défectueuses ou rappelées, car ces dernières présentent un risque accru de court-circuit et d’incendie. (PHMSA â€” Transporting Lithium Batteries)

Comment la sécurité des batteries est testée

La sécurité des batteries est évaluée au niveau de la cellule, du pack et du véhicule complet. Les essais abusifs en laboratoire et les essais de collision répondent à des questions différentes ; la réussite de l’un ne remplace donc pas les autres.

Le UN Global Technical Regulation No. 20 aborde la sécurité des véhicules électriques et de leurs systèmes rechargeables de stockage d’énergie électrique. Son champ d’application comprend la sécurité électrique, le fonctionnement en service, les conditions après collision et la protection contre les risques d’incendie liés à la batterie. (UNECE â€” UN Global Technical Regulation No. 20: Electric Vehicle Safety)

Les règles régionales d’homologation combinent des essais et des exigences applicables aux véhicules, couvrant notamment :

Les vibrations et les chocs mécaniques
L’intégrité mécanique et l’intrusion
Les chocs thermiques et les cycles de température
Les courts-circuits externes
La protection contre la surcharge et la décharge excessive
La protection contre les températures excessives
La résistance au feu
L’isolation électrique et la protection contre le contact direct
Les fuites d’électrolyte et la gestion des gaz
La sécurité haute tension après une collision

La procédure exacte, les critères d’acceptation et leur applicabilité dépendent du règlement, de la catégorie du véhicule et du marché. La Battery Safety Initiative de la NHTSA étudie également les incidents sur le terrain, le diagnostic, les modes de défaillance pendant la recharge, l’emballement thermique, l’immersion dans l’eau et les vibrations, à mesure que les normes continuent d’évoluer. (NHTSA â€” Battery Safety Initiative)

Les programmes d’essais de collision destinés aux consommateurs ajoutent une couche supplémentaire. Ils évaluent le véhicule complet et peuvent vérifier si la batterie se déconnecte, si la carrosserie devient électriquement dangereuse et si le pack présente des signes de dommages. Ils ne publient pas tous les essais de qualification exclusifs réalisés par le constructeur au niveau des cellules et du pack.

Les essais de transport ont un objectif distinct. Les cellules et batteries au lithium proposées au transport doivent généralement satisfaire aux exigences applicables de la section 38.3 du Manuel d’épreuves et de critères de l’ONU. Cela démontre leur résistance à des conditions de transport définies ; il ne s’agit pas d’une certification complète de la sécurité du véhicule en cas de collision ni de ses performances face à la propagation.

Ce que les propriétaires et les acheteurs doivent comprendre

Les défaillances graves de batterie sont rares, mais leurs conséquences exigent une conception et une prise en charge rigoureuses. Le signalement isolé d’un incendie ne permet pas d’établir la sécurité de toutes les batteries d’une marque, et une désignation chimique ne permet pas d’affirmer qu’un véhicule est plus sûr qu’un autre.

Les propriétaires doivent réagir aux alertes de batterie, aux défauts de recharge, à une chaleur inhabituelle, à de la fumée, à un sifflement, à de fortes odeurs ou à des dommages visibles sous le véhicule. Après une collision importante, une inondation ou un choc suspecté sur le pack, le véhicule doit être évalué conformément aux consignes du constructeur. Les réparations haute tension doivent être confiées à des techniciens qualifiés disposant des équipements de protection et de diagnostic appropriés.

Parmi les questions utiles lors de la comparaison de véhicules figurent :

Le constructeur publie-t-il une fiche de secours propre au véhicule ?
Les modules ou sections de pack endommagés peuvent-ils être diagnostiqués et remplacés ?
Comment le véhicule signale-t-il les défauts d’isolation, de refroidissement ou de batterie ?
La garantie explique-t-elle comment sont traités les dommages dus à une collision ou à une cause extérieure ?
Les rappels de batteries et les actions correctives sont-ils faciles à trouver ?
La conception du pack prévoit-elle un dégazage défini et une protection contre la propagation ?

La sécurité dépend aussi du logiciel et de l’entretien pendant toute la durée de vie du véhicule. Un pack bien conçu associe prévention, détection précoce, isolation électrique, protection mécanique, confinement thermique et procédures claires pour les situations que les couches préventives ne peuvent pas arrêter.

Pour en savoir plus sur le diagnostic, la réparation, la réutilisation et le recyclage après l’utilisation dans le véhicule, consultez Cycle de vie, réparation, seconde vie et recyclage des batteries de véhicules électriques.