BESS : de la cellule au module et au rack de batteries

Les systèmes de stockage d’énergie par batteries, appelés BESS – Battery Energy Storage System, peuvent atteindre des capacités allant de quelques dizaines de kWh à plusieurs MWh.

Mais avant de parler du BMS, du PCS ou de l’EMS, il est essentiel de comprendre comment la partie batterie elle-même est construite.

L’architecture peut être étudiée progressivement, du plus petit élément vers un ensemble de plus en plus important :

Cellule → Module → Rack → Système batterie → BESS

Dans cet article, nous allons nous concentrer sur les trois premiers niveaux : la cellule, le module et le rack de batteries.

1. La cellule de batterie

La cellule de batterie est l’unité électrochimique élémentaire dans laquelle l’énergie est réellement stockée.

Pendant la charge, elle transforme l’énergie électrique en énergie chimique. Pendant la décharge, le phénomène inverse se produit : l’énergie chimique stockée est convertie en énergie électrique.

Une cellule lithium-ion est principalement constituée d’une anode, d’une cathode, d’un électrolyte et d’un séparateur.

Dans les applications de stockage stationnaire, on rencontre notamment la technologie LFP – Lithium Fer Phosphate (LiFePO₄), appréciée pour sa stabilité thermique et sa durée de vie.

Tension, capacité et énergie

Une cellule est notamment caractérisée par sa tension nominale, exprimée en volts, et sa capacité, exprimée en ampères-heures.

L’énergie nominale peut être estimée par la relation :

Énergie (Wh) = Tension (V) × Capacité (Ah)

Prenons l’exemple d’une cellule de :

3,2 V – 280 Ah

Son énergie nominale est alors :

3,2 × 280 = 896 Wh

soit environ :

0,896 kWh

Une seule cellule ne suffit évidemment pas pour constituer un système de stockage industriel. Il faut donc en assembler plusieurs.

2. Du concept de cellule au module de batterie

Plusieurs cellules sont regroupées afin de former un :

Module de batterie – Battery Module

Le module représente donc le niveau d’intégration immédiatement supérieur à la cellule.

Cellules → Module

L’objectif est d’obtenir une tension et une énergie plus importantes, tout en conservant une architecture modulaire facilitant la fabrication, le montage, la maintenance et la surveillance.

Les cellules peuvent être connectées en série, en parallèle, ou selon une combinaison de ces deux configurations.

3. Connexion des cellules en série

Dans une connexion en série, les tensions des cellules s’additionnent.

Prenons par exemple 16 cellules de 3,2 V et 280 Ah connectées en série.

La tension nominale du module devient :

16 × 3,2 = 51,2 V

La capacité reste :

280 Ah

L’énergie nominale du module est donc approximativement :

51,2 × 280 = 14 336 Wh

soit :

14,34 kWh

Nous sommes ainsi passés d’une cellule d’environ 0,9 kWh à un module de plus de 14 kWh.

4. Connexion des cellules en parallèle

Dans une connexion en parallèle, la tension reste pratiquement identique, tandis que les capacités en Ah s’additionnent.

Par exemple, deux cellules identiques de :

3,2 V – 280 Ah

connectées en parallèle donnent théoriquement :

3,2 V – 560 Ah

La connexion en parallèle permet donc principalement d’augmenter la capacité et la capacité de courant du système.

Dans les batteries industrielles, le constructeur choisit la combinaison série/parallèle en fonction de la tension DC souhaitée, de l’énergie à stocker et des performances électriques attendues.

5. Pourquoi utiliser des modules ?

Il serait théoriquement possible d’assembler directement un très grand nombre de cellules. En pratique, une telle architecture serait difficile à construire, transporter, refroidir et maintenir.

Le module permet de créer une unité intermédiaire standardisée.

Il facilite notamment l’assemblage mécanique, le câblage, la gestion thermique, la maintenance et le remplacement d’une partie du système sans intervenir sur l’ensemble de la batterie.

Le module constitue donc une véritable brique fonctionnelle de la batterie.

6. Le rack de batteries

Plusieurs modules sont ensuite regroupés dans une structure appelée :

Rack de batteries – Battery Rack

Un rack peut être comparé à une armoire industrielle contenant plusieurs modules de batteries interconnectés.

L’architecture devient alors :

Cellule → Module → Rack

Selon la conception du constructeur, les modules d’un rack peuvent être connectés principalement en série afin d’obtenir une tension DC de plusieurs centaines de volts.

Cette tension élevée est ensuite utilisée par les équipements de conversion de puissance du BESS.

7. Exemple simplifié d’un rack

Reprenons notre module précédent :

51,2 V – 280 Ah – environ 14,34 kWh

Supposons qu’un rack comporte 10 modules identiques connectés en série.

La tension nominale du rack devient :

10 × 51,2 = 512 V DC

La capacité reste :

280 Ah

L’énergie nominale du rack devient :

512 × 280 = 143 360 Wh

soit environ :

143 kWh

L’évolution peut donc être résumée ainsi :

1 cellule → 3,2 V – 280 Ah – 0,896 kWh

16 cellules → 1 module → 51,2 V – 280 Ah – 14,34 kWh

10 modules → 1 rack → 512 V DC – 280 Ah – environ 143 kWh

Cet exemple est volontairement simplifié. Les valeurs réelles varient fortement selon le fabricant, la technologie des cellules et l’architecture du système.

8. De plusieurs racks au système de batteries

Pour obtenir des capacités encore plus importantes, plusieurs racks peuvent être associés dans une armoire, un conteneur ou une installation complète.

On obtient alors progressivement :

Cellule → Module → Rack → Système batterie

Le système batterie constitue la partie électrochimique principale du BESS.

Cependant, plus le nombre de cellules augmente, plus une nouvelle problématique apparaît : comment surveiller individuellement les tensions, les températures, l’état de charge et les éventuels défauts de toutes ces cellules ?

C’est précisément le rôle du BMS – Battery Management System.

Conclusion

La compréhension d’un BESS devient beaucoup plus simple lorsqu’on commence par sa structure physique.

Il faut retenir trois niveaux fondamentaux :

La cellule est l’élément électrochimique dans lequel l’énergie est stockée.

Le module regroupe plusieurs cellules afin d’obtenir une tension et une énergie plus importantes.

Le rack regroupe plusieurs modules pour constituer un ensemble de batteries à haute tension et forte capacité énergétique.

Nous avons donc construit progressivement notre système :

Cellule → Module → Rack

Mais assembler des cellules ne suffit pas. Il faut également les surveiller, les protéger et contrôler leurs conditions de fonctionnement.

Dans le prochain article, nous allons découvrir le système chargé de cette mission :

BMS – Battery Management System : le système de gestion de la batterie.