Alors que les batteries lithium-ion continuent de se généraliser au-delà des véhicules électriques pour s'intégrer aux équipements industriels, aux engins de chantier, aux centres de données, aux alimentations sans interruption et aux systèmes de stockage d'énergie stationnaires, les systèmes de gestion de batteries (BMS) sont confrontés à des exigences toujours plus élevées. Dans toutes ces applications, trois objectifs doivent être atteints simultanément : fonctionnement continu, sécurité et longue durée de vie.

Parallèlement, les batteries deviennent de plus en plus volumineuses et complexes. Avec l'augmentation du nombre de cellules en série et en parallèle, la moindre variation ou anomalie au niveau d'une cellule peut avoir un impact croissant sur les performances, la durée de vie et la sécurité de l'ensemble du système. Une fois installées, les batteries ne peuvent être démontées pour inspection, ce qui fait du BMS le seul moyen pratique de surveiller leur état tout au long de leur cycle de vie.

Dans ces conditions, les méthodes de diagnostic classiques des batteries, basées sur les mesures de tension, de courant et de température, atteignent leurs limites. Si l'estimation de l'état de charge (SOC) et de l'état de santé (SOH) demeure importante, les systèmes de batteries de nouvelle génération exigent une compréhension approfondie des mécanismes de dégradation et des risques émergents pour la sécurité avant toute défaillance.
La spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) offre une approche fondamentalement différente pour examiner le comportement des batteries dans le domaine fréquentiel. Au lieu de se fier uniquement à des mesures électriques agrégées, l'EIS permet d'observer les processus électrochimiques se déroulant au sein de la cellule, offrant ainsi une vision plus complète et détaillée de l'état de santé de la batterie.

Limites des méthodes de diagnostic conventionnelles :
De nombreux systèmes de gestion de batterie (BMS) s’appuient sur des mesures de résistance impulsionnelle par la méthode ΔV/ΔI. L’application d’une impulsion de courant et la mesure de la tension résultante permettent d’estimer la résistance avec un minimum de matériel.
Cependant, la valeur de résistance obtenue est une grandeur composite qui intègre les contributions de multiples phénomènes physiques, tels que la résistance ohmique, la résistance de transfert de charge, les effets de la capacité de la double couche, la surtension liée à la diffusion et le comportement dépendant de la température et de l’état de charge (SOC). Bien que pratique, une valeur de résistance unique fournit peu d’informations sur la cause sous-jacente de la dégradation de la batterie.

Figure 1. Représentation schématique équivalente d'une batterie lithium-ion.
De même, l'estimation de l'état de charge (SOC) basée sur la tension en circuit ouvert fonctionne bien dans des conditions de fonctionnement stables, mais devient de plus en plus difficile en présence de charges dynamiques, de variations de température et de conditions de charge rapide. Des mécanismes de dégradation critiques pour la sécurité, tels que le dépôt de lithium, peuvent se développer bien avant qu'une perte de capacité ou une augmentation de la résistance ne soit perceptible.
Ceci représente un défi majeur pour les systèmes de batteries de nouvelle génération. Dans de nombreux cas, le risque peut augmenter alors que les indicateurs traditionnels semblent encore normaux.
Bien que la compensation de température, l'estimation basée sur des modèles et les techniques d'apprentissage automatique puissent améliorer les performances, elles restent fondamentalement limitées par les grandeurs physiques disponibles en entrée. Si les grandeurs mesurées ne contiennent pas suffisamment d'informations causales, un traitement ultérieur seul ne peut pas les reconstituer entièrement.

permet
de surmonter cette limitation en séparant les processus de la batterie selon leurs constantes de temps caractéristiques.
Au sein d'une batterie, la conduction électronique, le transport ionique, les réactions de transfert de charge interfaciales et les processus de diffusion se produisent simultanément. Lors de mesures temporelles, ces effets se chevauchent et sont difficiles à séparer. L'EIS applique une faible excitation sinusoïdale et mesure la réponse en tension et en courant résultante à plusieurs fréquences, permettant ainsi d'observer indépendamment chaque processus électrochimique.
L'impédance résultante contient des informations à la fois sur l'amplitude et la phase, fournissant des informations sur le comportement résistif et réactif de la batterie.
L'impédance d'une batterie lithium-ion est généralement représentée par des modèles de circuits équivalents composés de :

Résistance ohmique (Rs)
Résistance de transfert de charge (Rct)
Capacité de la double couche (Cdl)
Éléments liés à la diffusion

Les différentes plages de fréquences mettent en évidence des phénomènes électrochimiques distincts. Les mesures à haute fréquence sont dominées par la résistance ohmique et les effets d'interconnexion. Les mesures à moyenne fréquence révèlent les réactions interfaciales et le comportement de l'interface électrolyte solide (IES). Les mesures à basse fréquence permettent de saisir les processus de diffusion et la polarisation de concentration.

Comme les caractéristiques d'impédance varient en fonction de l'état de charge, la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) peut également fournir des informations complémentaires aux méthodes traditionnelles d'estimation de l'état de charge, notamment dans des conditions de fonctionnement dynamiques où les approches basées sur la tension en circuit ouvert (OCV) perdent en fiabilité.
Cette dissociation des phénomènes électrochimiques constitue l'un des principaux avantages de l'EIS par rapport aux mesures de résistance conventionnelles.

Visualisation du comportement des batteries à l'aide des diagrammes de Cole-Cole :
Les résultats de la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) sont souvent visualisés à l'aide de diagrammes de Nyquist ou de Cole-Cole, qui représentent graphiquement la composante imaginaire de l'impédance en fonction de sa composante réelle.
Les variations de la forme du diagramme peuvent révéler des informations précieuses sur l'état de la batterie. Le diamètre d'un arc de cercle est généralement associé à la résistance de transfert de charge, tandis que les variations de l'intersection avec l'axe réel peuvent indiquer des variations de la résistance ohmique. Des distorsions ou des déplacements de ces caractéristiques peuvent indiquer l'apparition de mécanismes de dégradation.

Figure 2. Diagramme de Cole-Cole montrant la relation entre les caractéristiques d'impédance et les processus internes de la batterie.

Au lieu de traiter la dégradation de la batterie comme une simple valeur numérique, l'EIS transforme l'impédance en une représentation structurée capable de fournir des informations sur les réactions interfaciales, le comportement de diffusion et l'évolution des voies de dégradation.

Dépôt de lithium et diagnostic de sécurité :
L’une des applications les plus importantes de la spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) est la détection des précurseurs du dépôt de lithium. Ce dépôt se produit lorsque l’insertion du lithium dans l’électrode négative devient limitée par la vitesse et que du lithium métallique commence à se déposer sur la surface de l’électrode. Parmi les facteurs de risque de dépôt, on peut citer les basses températures, les charges à un état de charge (SOC) élevé, les profils de charge rapide agressifs et le vieillissement de la cellule.
Le problème est que le dépôt de lithium se développe souvent avant même que des anomalies de tension évidentes ou une perte de capacité mesurable ne soient apparentes. Une fois installé, il peut entraîner une perte irréversible de lithium, une dégradation accélérée, la formation de dendrites, un échauffement localisé et, en fin de compte, un risque accru d’emballement thermique.
Les indicateurs conventionnels des systèmes de gestion de batterie (BMS) pouvant ne pas détecter ces changements précoces, l’EIS constitue un outil de diagnostic potentiellement précieux. Les variations du comportement de phase, des composantes d’impédance imaginaire et des caractéristiques de transfert de charge peuvent révéler l’évolution des conditions interfaciales avant l’apparition de symptômes plus visibles.
En particulier dans les régions de moyennes et hautes fréquences, les mesures EIS peuvent fournir des informations précieuses tout en conservant des temps de mesure adaptés aux applications sur le terrain.

Défis liés à la mise en œuvre :
Bien que les avantages de la spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) soient bien connus en laboratoire, son intégration dans les systèmes de gestion de batteries (BMS) de production présente des défis importants.
L’impédance des cellules de batterie est extrêmement faible, souvent de l’ordre du milliohm. Avec des courants d’excitation typiques, les variations de tension induites peuvent être aussi faibles que quelques centaines de microvolts. Ces signaux doivent être mesurés avec précision dans des environnements perturbés par le bruit de commutation, les interférences électromagnétiques, les variations de température et autres perturbations.
La précision de la phase est également cruciale. Les performances de mesure dépendent non seulement de la résolution d’amplitude, mais aussi de la synchronisation temporelle, de la précision d’échantillonnage, des caractéristiques de filtrage et de l’adaptation du trajet du signal. Par conséquent, sa mise en œuvre pratique exige une analyse approfondie de la bande passante de mesure, des performances en matière de bruit, du coût de mise en œuvre et des conditions de fonctionnement.

Approches pratiques de la mise en œuvre de la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) dans les systèmes de gestion de batteries :
plutôt que de chercher à miniaturiser les instruments EIS de laboratoire, Renesas privilégie l'extraction d'informations d'impédance utiles grâce aux ressources déjà disponibles dans les architectures des systèmes de gestion de batteries.
L'approche de l'entreprise met l'accent sur une faible consommation d'énergie, un recours minimal aux composants externes et la compatibilité avec les systèmes de batteries multicellulaires haute tension.
Deux techniques complémentaires sont employées.

Approche 1 : Superposition AC avec synchronisation équivalente par détection synchrone.
Cette première approche introduit une faible composante alternative dans le courant de la batterie et extrait les informations d’impédance à l’aide de techniques de mesure synchronisées.
Les instruments de laboratoire traditionnels utilisent généralement plusieurs convertisseurs analogique-numérique (CAN) et des architectures de détection synchrone dédiées. L’approche de Renesas vise à obtenir une extraction d’amplitude et de phase équivalente en utilisant les ressources pratiques du système de gestion de batterie (BMS), notamment les convertisseurs delta-sigma et le traitement numérique.

Figure 3. Architecture de l'amplificateur «lock-in» utilisé pour la mesure AC-IMP.

Cette méthode est particulièrement efficace en mode veille, lorsque le courant est minimal et le bruit électrique réduit. L'excitation contrôlée et la détection synchronisée permettent une extraction stable des informations d'impédance tout en assurant la compatibilité avec les exigences des systèmes de gestion de batterie (BMS) de production.

Approche 2 : Estimation par FFT à partir des réponses impulsionnelles.
Cette seconde approche exploite la relation mathématique entre les comportements temporel et fréquentiel.
Au lieu d’effectuer des balayages de fréquence directs, les formes d’onde de relaxation des contraintes générées lors du fonctionnement normal du système de gestion de batterie (BMS) peuvent être analysées par des techniques basées sur la FFT afin d’estimer les paramètres RC équivalents.
Ces paramètres sont directement liés au comportement de relaxation associé à la diffusion et aux réactions interfaciales, ce qui les rend pertinents pour le contrôle de la charge, la gestion thermique et l’évaluation de la dégradation.
Malgré les difficultés persistantes liées à la sensibilité au bruit et à la corrélation des paramètres, cette approche offre une méthode pratique pour extraire des informations relatives à la spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) à partir de mesures déjà disponibles dans les flux de travail des BMS existants.

De la mesure à la prise de décision automatisée :
la valeur fondamentale de l’EIS réside non seulement dans la mesure, mais aussi dans la transformation des résultats de mesure en décisions exploitables.
En laboratoire, les diagrammes de Cole-Cole sont généralement interprétés visuellement par des experts qualifiés. Les systèmes de gestion technique du bâtiment (GTB) en production exigent un jugement automatisé, une robustesse face aux variations et des résultats de diagnostic interprétables.
Par conséquent, les données d’impédance doivent être converties en caractéristiques quantitatives adaptées à l’analyse automatisée. On peut citer comme exemples les variations de Rs, les variations du diamètre d’arc liées à la résistance de transfert de charge et le déplacement du pic d’impédance.

Figure 4. Extraction de caractéristiques à partir des diagrammes de Cole-Cole pour le diagnostic automatisé.

Renesas privilégie l'extraction de caractéristiques diagnostiques stables à partir d'un nombre limité de points de fréquence, permettant une mise en œuvre pratique sans nécessiter de mesures sur l'ensemble du spectre. Cette approche permet une évaluation rapide de la sécurité tout en intégrant la mesure, l'analyse et la prise de décision directement dans le système de gestion du bâtiment (BMS).

Conclusion :
Face à l’augmentation constante de la taille, de la complexité et des exigences de performance des systèmes de batteries, les approches de diagnostic conventionnelles, basées uniquement sur les mesures de tension, de courant et de température, présentent des limites croissantes. La spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) offre une vision plus complète du comportement des batteries en séparant les processus électrochimiques selon leurs constantes de temps caractéristiques, permettant ainsi une meilleure compréhension des mécanismes de dégradation et des risques émergents pour la sécurité.
En combinant des techniques pratiques de mesure d’impédance, l’extraction de caractéristiques et la prise de décision automatisée, les technologies EIS de Renesas ouvrent la voie à des diagnostics applicables sur le terrain, capables de soutenir la prochaine génération de systèmes de gestion de batteries.

Auteurs : John Carpenter et Masaki Hogari, Renesas https://www.renesas.com

À propos de l'auteur :
John Carpenter est directeur chez Renesas Electronics, où il est responsable de l'ingénierie des systèmes et des applications pour le groupe de gestion des batteries. Il possède une vaste expérience des solutions systèmes pour les technologies de gestion des batteries et de l'énergie et a dirigé des programmes complexes de développement de produits ainsi que des équipes pluridisciplinaires. Spécialisé dans la gestion de projets, la gestion des parties prenantes, le développement de systèmes et la planification stratégique du marché, il a fait ses preuves en matière de mise en œuvre de solutions innovantes et de contribution au succès des organisations grâce à la collaboration et à l'excellence opérationnelle.

Masaki Hogari est ingénieur d'applications senior chez Renesas Electronics et membre de l'équipe Algorithm Firmware Technology (AFT). Il possède une vaste expérience des technologies de batteries lithium-ion et des systèmes de gestion de batteries (BMS). Son expertise technique couvre les algorithmes de gestion de batteries pour l'estimation de l'état de charge, le diagnostic de l'état de santé des batteries, l'analyse d'impédance, la sécurité des batteries et la détection du gonflement. Ses travaux ont contribué à l'adoption des technologies de batteries lithium-ion dans de nombreuses applications industrielles, notamment l'outillage électroportatif et les vélos électriques. Il a également dirigé le développement et la commercialisation de solutions de circuits intégrés indicateurs de charge pour divers systèmes de batteries. Actuellement spécialisé dans la caractérisation des batteries et le développement d'algorithmes, il a fait ses preuves en matière d'innovation grâce à des technologies propriétaires et en facilitant la mise en œuvre réussie de systèmes de batteries, notamment par le biais de formations et de renforcement des capacités à l'échelle mondiale.