Pourquoi la détection d'hydrogène est indispensable dans votre système de gestion de batterie Li-ion

On vous a donc conseillé d'installer un système de gestion de batterie (BMS) pour vos batteries lithium-ion, que ce soit pour une nouvelle installation, un projet de stockage d'énergie ou pour répondre aux nouvelles normes de sécurité. Le BMS est le cerveau de la batterie : il surveille les performances, maintient la charge et la décharge dans des limites de sécurité et arrête le système en cas de besoin.

Mais voici une chose que l'on ne vous a peut-être pas dite : parmi les différents types de gaz présents dans des conditions anormales, un seul est plus important que tous les autres pour la surveillance. La détection de l'hydrogène est non seulement utile, mais essentielle. Et elle devrait faire partie intégrante de toute configuration BMS moderne et fiable.

Pourquoi l'hydrogène est-il important dans la gestion de la sécurité des batteries au lithium ?

En conditions normales, les batteries lithium-ion n'émettent pas d'hydrogène. Cependant, en cas de problème (surcharge, endommagement des cellules, défauts du séparateur, courts-circuits internes, voire formation de dendrites de lithium à l'intérieur de la batterie), celle-ci peut entrer dans un état appelé emballement thermique . C'est alors que la situation devient rapidement dangereuse.

Lors d'un emballement thermique, la température augmente de manière incontrôlable à un rythme de 20 °C par minute, la température critique étant de 125 °C, et peut atteindre 500 °C. Cette chaleur extrême provoque la fusion du séparateur à l'intérieur de la batterie, compromettant ainsi la couche critique d'interphase d'électrolyte solide (SEI). Cette couche est essentielle au fonctionnement de la batterie, car elle facilite le mouvement des ions lithium tout en limitant le flux d'électrons. Lorsque cette couche se dégrade, la chimie de la batterie devient de plus en plus instable et se détériore.

L'un des principaux sous-produits de cette décomposition ? L'hydrogène gazeux , ainsi que le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone et d'autres gaz toxiques ou inflammables.

Des recherches ont montré que l'hydrogène est le principal gaz libéré lors des premiers stades d'un emballement thermique, ce qui en fait un indicateur précoce idéal. À mesure que la température dépasse 200 °C, l'anode est exposée, ce qui accélère le processus de décomposition. À 300 °C, les matériaux de la cathode commencent à se dégrader, augmentant considérablement les risques de déflagration et d'explosion.

Cependant, le principal gaz généré, l'hydrogène, est particulièrement dangereux car :

• C'est hautement inflammable
• C'est inodore et invisible
• Il peut s'accumuler dans des espaces confinés
• Une petite concentration suffit à provoquer l'inflammation.

Sans une détection adéquate et une surveillance continue, vous pourriez vous retrouver avec une situation dangereuse qui se développe, sans aucun avertissement, jusqu'à ce qu'il soit trop tard.

Le rôle des systèmes de gestion des batteries et la place de la détection de l'hydrogène

La sécurité commence par le système de gestion de batterie (BMS), également appelé système de gestion du stockage d'énergie (ESMS). Le BMS surveille les indicateurs de performance essentiels de la batterie, tels que l'état de charge, la charge, la décharge excessive et la température. Lorsque le BMS détecte des conditions pouvant entraîner une situation dangereuse, il arrête immédiatement le système. De plus, le BMS optimise les performances de la batterie pour garantir une efficacité, une longévité et une fonctionnalité optimales.

Les systèmes BMS modernes peuvent détecter les conditions susceptibles de conduire à des événements thermiques, mais ils ne peuvent pas détecter directement la présence d’hydrogène qui indique qu’un emballement thermique a déjà commencé.

Bien que le BMS assure la charge, l'équilibrage et la surveillance de la température pour une protection optimale, un système de gestion de batterie (BMS) doit être associé à la détection de l'hydrogène. Intégrés au réservoir d'énergie, les capteurs d'hydrogène peuvent réagir dès les premiers signes d'accumulation de gaz, avant que la situation ne s'aggrave. Cela donne au système le temps de :

• Déclencher des alarmes
• Mettre hors tension les modules de batterie
• Allumer la ventilation
• Alerter le personnel
• Prévenir les incendies ou les explosions

C'est la pièce manquante qui relie le contrôle électronique à l'atténuation des risques dans le monde réel.

Pourquoi la réglementation exige désormais la détection de l'hydrogène

Partout dans le monde, les codes et normes de sécurité commencent à exiger la détection d'hydrogène, et les entreprises peuvent s'attendre à une couverture d'assurance adaptée à ces normes. De nombreuses réglementations et normes de sécurité imposent l'utilisation de systèmes de détection d'hydrogène dans les locaux de batteries ou les locaux abritant des batteries au lithium.

• NFPA 855 impose des systèmes de détection de gaz combustibles (comme l'hydrogène) dans les systèmes de stockage d'énergie
• COSHH au Royaume-Uni la réglementation exige que les employeurs évaluent les risques associés aux substances dangereuses comme l’hydrogène et établissent des plans d’action en cas d’accident, d’incident ou d’urgence.
• IEC 62933-5-2 fournit des recommandations pour la sécurité des systèmes de stockage d'énergie (ESS), y compris des systèmes de détection de gaz pour l'alerte précoce des événements thermiques
• UL 9540A les méthodes de test évaluent la propagation de l'emballement thermique dans les systèmes de stockage d'énergie par batterie, les résultats conduisant souvent à des exigences en matière de détection de gaz

De nombreux services d'incendie locaux et polices d'assurance exigent désormais des systèmes de détection de gaz dans le cadre de la conception des salles de stockage de lithium.

En résumé : lors de l’installation de batteries au lithium, la détection d’hydrogène est attendue et souvent requise pour le système de gestion des batteries lithium-ion.

La manière intelligente d'intégrer la détection d'hydrogène

Tous les capteurs de gaz ne se valent pas, et beaucoup n'ont pas été conçus pour les environnements alimentés par des batteries au lithium. C'est là qu'intervient H2scan.

La technologie H2scan représente une avancée significative par rapport aux capteurs électrochimiques ou à billes catalytiques traditionnels, et ce, à plusieurs égards essentiels. Nos capteurs fournissent des mesures précises sans interférence avec d'autres gaz courants dans les installations de batteries, grâce à un alliage de minéraux précieux spécifique à l'hydrogène qui absorbe sélectivement les molécules d'hydrogène.

Les capteurs traditionnels nécessitent souvent un étalonnage trimestriel, le remplacement de leurs éléments sensibles tous les un à deux ans et sont sujets à la dérive et aux fausses alarmes. À l'inverse, les capteurs H2scan conservent leur précision tout au long de leur longue durée de vie, sans aucun de ces problèmes. Cela réduit considérablement les coûts de maintenance, élimine les interventions inutiles et prévient les risques liés aux capteurs déréglés. Notre système de surveillance continue permet d'anticiper l'état des batteries et ainsi d'éviter les pannes coûteuses et imprévues.

• Notre solide brevetéLes capteurs d'hydrogène à l'état solide sont conçus pour :
• zéro entretien — auto-étalonnage sans gaz d'étalonnage ni visites sur site, sauf en cas d'anomalies détectées
• Longue durée de vie du capteur — correspond au cycle de vie de votre système de batterie
• Réponse rapide et précise — détecte même les faibles niveaux d'hydrogène à un stade précoce
• Facilité d'intégration — fonctionne avec votre PLC, BMS ou systèmes d'alarme existants
• Autodiagnostic — vous alerte automatiquement de tout problème opérationnel

Avec le capteur de localisation générale HY-ALERTA® 5020 de H2scan ou le capteur à sécurité intrinsèque HY-ALERTA® 5320 avec capacités 4-20 mA et Modbus ou Modbus RTU dans un boîtier NEMA 4X, vous ne cochez pas seulement une case de conformité, vous ajoutez une couche de sécurité fiable grâce à notre technologie Gen 5 leader sur le marché.

Réflexion finale : un système de gestion de batterie plus intelligent inclut la détection d'hydrogène

Votre système de gestion de batterie est le centre de contrôle. Mais sans détection d'hydrogène, il ne détecte pas l'un des signes de défaillance les plus dangereux. Ne laissez pas une accumulation de gaz évitable se transformer en catastrophe. Grâce à une détection d'hydrogène fiable intégrée à votre système, vous obtenez une vision précoce des conditions anormales, ce qui vous permet d'éviter d'endommager vos équipements et vos installations, et surtout, d'assurer la sécurité de votre personnel. Cette même vision permet aux équipes opérationnelles d'adopter des stratégies de maintenance conditionnelle, évitant ainsi les coûts inutiles typiques des programmes de maintenance périodique.

Sources:

1. NFPA 855 : Norme pour l'installation de systèmes de stockage d'énergie stationnaires : https://www.nfpa.org/codes-and-standards/all-codes-and-standards/list-of-codes-and-standards/detail?code=855
2. Réglementation COSHH du Royaume-Uni : https://www.hse.gov.uk/coshh/
3. IEC 62933-5-2 : Exigences de sécurité relatives aux systèmes de stockage d'énergie électrique : https://webstore.iec.ch/publication/30966
4. UL 9540A : Méthode d'essai pour l'évaluation de la propagation d'un incendie par emballement thermique dans les systèmes de stockage d'énergie par batterie : https://www.ul.com/services/9540a-test-method
5. Feng, X., et al. (2018). « Mécanisme d'emballement thermique des batteries lithium-ion pour véhicules électriques : une revue. » Energy Storage Materials, 10, p. 246-267. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405829716303453
6. Kong, L., et al. (2018). « Comportements d'évolution gazeuse de plusieurs matériaux de cathode dans les batteries lithium-ion ». Journal of Power Sources, 396, 358-367 : https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775318304377
7. Lee, JY, et al. (2024). « Étude de la méthode d'atténuation de l'emballement thermique dans les systèmes de stockage d'énergie par batteries lithium-ion par analyse numérique. » Journal of Energy Storage, 76, 109812. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352152X24007461

Jeff Donato est directeur des ventes des produits de sécurité chez H2scan Corporation, fournisseur mondial de solutions de capteurs d'hydrogène. Membre de l'IEEE PES et président du groupe de travail 1578, Donato apporte son expertise en matière de normes techniques au secteur. Auparavant, il a occupé les postes de directeur technique et de directeur marketing chez EnviroGuard et possède une solide expérience du secteur des batteries de secours, essentielles aux systèmes d'alimentation et aux applications de sécurité.

À propos de l'auteur : Jeff Donato

Jeff Donato est directeur des ventes des produits de sécurité chez H2scan Corporation, fournisseur mondial de solutions de capteurs d'hydrogène. Membre de l'IEEE PES et président du groupe de travail 1578, Donato apporte son expertise en matière de normes techniques au secteur. Auparavant, il a occupé les postes de directeur technique et de directeur marketing chez EnviroGuard et possède une solide expérience du secteur des batteries de secours, essentielles aux systèmes d'alimentation et aux applications de sécurité.