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Boeing 787, la piste d’une batterie en surcharge

Dans son enquête sur les ennuis du Boeing 787, le NTSB a écarté la piste d'une batterie ayant dépassé sa tension nominale totale de 32 V. Mais quid de la surcharge d'un seul accumulateur dans un ensemble de huit ?

21.02.2013

Les batteries lithium-ion sont intolérantes aux charges mal conduites. Les incidents survenus sur deux Boeing 787 pourraient donc être dus à des imperfections du système de gestion de la batterie (battery management system, BMS). C’est en tous cas ce que suggère Pascal Chrétien, concepteur et pilote du premier hélicoptère électrique en 2011. Cet ingénieur est un fin connaisseur de l’utilisation des batteries lithium-ion dans l’aéronautique.

« Chaque accumulateur est géré individuellement par le BMS », indique Pascal Chrétien. Chacun fournit une tension d’environ 4 V, d’où les 32 V de l’ensemble sur le 787. Le BMS surveille en temps réel la charge et la « santé » de chacun des accumulateurs. Il doit être capable de beaucoup d’« intelligence » pour accomplir sa délicate mission.

En particulier, un dispositif d’équilibrage peut, pendant la charge, décharger certains accumulateurs. Car les tensions des éléments diffèrent légèrement les unes des autres. C’est une conséquence de la succession des cycles de charge/décharge, des disparités de fabrication et du vieillissement. Le BMS doit décharger les cellules ayant la plus haute tension afin de les ramener à un niveau moyen. Puis reprendre la charge de l’ensemble. Cette opération s’effectue durant la charge ou en fin de charge, suivant les différences de tension.

Dépasser la charge maximum (qui correspond à la tension maximale) d’un élément lithium-ion peut conduire à des réactions exothermiques violentes et à un incendie. C’est donc un ensemble d’opérations assez sensibles que conduit le BMS. Tellement sensibles que la batterie et le BMS ne sont jamais vraiment au repos. Les systèmes d’équilibrage peuvent être actifs même quand le contact général de l’avion est sur « off ». Et si les lois de charge ne sont pas adaptées, on risque une surcharge avec emballement thermique, note notre ingénieur.

La petite phrase prononcée le 7 février par Deborah Hersman, la patronne du NTSB, montrait bien que la surcharge n’est pas une piste abandonnée. « Comment la batterie s’est-elle chargée ? Pour quelle charge ? Comment était-elle surveillée ? », interrogeait-elle.

Elle n’excluait donc pas un autre phénomène délicat : des charges répétées par température négative peuvent causer la formation de dendrites. Ces petites excroissances de lithium métal finissent par percer le polymère. Elles causent alors un court-circuit entre anode et cathode – comme celui identifié par le NTSB. Là encore, c’est le BMS qui doit empêcher la charge à des températures inférieures a 0°C.

Surcharge ou dendrite, pourquoi un « simple » court-circuit peut-il dégénérer ? Une batterie (lithium-ion ou autre) contient à la fois un carburant et son comburant, en milieu fermé. Hormis les batteries, une telle chimie est réservée aux fusées et aux explosifs. Difficulté supplémentaire pour les enquêteurs, la réaction chimique peut avoir « couvé » longtemps avant de s’emballer.
La tâche du NTSB est donc ardue. « La recherche de la cause est étonnamment longue, toutes les règles de conception ont été vérifiées : on est maintenant dans des phénomènes assez exotiques, » remarque une source industrielle. Les normes actuelles ne seraient donc peut-être pas adaptées aux nouvelles technologies.

Thierry Dubois

A propos de Thierry Dubois

chez Aerobuzz.fr
Thierry Dubois est journaliste aéronautique depuis 1997. Ingénieur Enseeiht, il s’est spécialisé dans la technologie – moteurs, matériaux, systèmes, etc. Il collabore régulièrement à plusieurs publications françaises et américaines. Il a rejoint Aerobuzz, en octobre 2009. Thierry Dubois, couvre notamment les hélicoptères civils et l’aviation d’affaires, ainsi que tous les sujets techniques.

7 commentaires

  • Pascal Chretien

    Boeing 787, la piste d’une batterie en surcharge
    Pour compléter le texte, probablement limité dans le nombre mots, il conviendrait de rajouter quelques points :

    – Le problème de charges à basse températures, et les possibles courts-circuits internes subsequents a des formations dendritiques de lithium métal semblent être une piste sérieuse. Le BMS devrait prévenir ce type de problème en limitant les charges dans certaines conditions.
    Ce qui amène à une autre réflexion : la chimie NMC utilisée par les cellules GS-Yuasa retenues par Boeing offrait la meilleure densité de puissance, certes, mais au prix de conditions opérationnelles délicates à gérer. Par contraste, une chimie de type LTO (Lithium-Titanium-Oxyde), bien que 20% plus lourde que le NMC, aurait offert une sécurité totale à basse température, et sur toute la plage opérationnelle par ailleurs, avec aussi des possibilités de pointes de courant nettement supérieures.

    – Apres la chimie, vient le problème de la géométrie des cellules : les cellules 65AH utilisées sont difficiles à isoler en cas d’incendie, et la suggestion d’utiliser des plaques céramiques intercalaires peut limiter la propagation de destruction par effet cascade, mais ne résoudra en aucun cas le problème de destruction unitaire de cellule.

    L’architecture recommandée pour ce type de pack serait plutôt des assemblages série-parallèles de cellules cylindriques metalliques de plus petites capacités, offrant une protection inhérente contre les propagations de destruction par effet cascade. Par ailleurs ce type de cellules peuvent utiliser des sécurités intégrées additionnelles de types PTC, difficiles à implémenter dans des éléments de tailles supérieures. Il est étonnant que ce type d’architecture, bien connus dans le monde des véhicules électriques haute performance, ait été ignoré par Boeing…
    Des objectifs de masses agressifs peuvent avoir été le critère déterminant le choix de la chimie, peut être aussi combiné à l’historique connue d’un type de cellule (dans d’autres environnements) ont certainement contribués à influencer les choix des concepteurs.

    Les dégâts collatéraux de ces incidents qui auraient pu être évités par une analyse système plus détaillée, seront probablement un durcissement des normes de certification de ce type de solution de stockage d’énergie, qui offrent pourtant bien des avantages par rapport aux technologies Cadmium Nickel conventionnelles.

    Pascal Chretien.

  • ratel

    Boeing 787, la piste d’une batterie en surcharge
    je crois que j’ai donné sur votre site des explications, sur ces fameuses batteries qui envahistent actuellement le marché sur l’aérien et les automobiles, il faut revenir sur les anciennes batteries , et attendre les recherches plus appronfondies sur ce genre de batteries, ont veut aller toujours plus vite, et voila le résultat

  • Colibri

    Boeing 787, la piste d’une batterie en surcharge
    Il faudrait veiller à publier des photos crédibles, en effet l’enquèteur du NTSB que vous présentez est en train de faire semblant de travailler sur un équipement préhistorique !
    J’espère que Boeing a dépassé ce stade…

    • Gil Roy
      Gil Roy

      Boeing 787, la piste d’une batterie en surcharge
      @ Colibri.

      Dommage que vous n’ayez retenu que cela de cet article. Pouvez-vous me citer d’autre organe de presse spécialisé, magazines papier inclus (vendus en kiosque ou sur abonnement), qui suivent de manière aussi fouillée le dossier des batteries du 787 Dreamliner de Boeing ? Avez vous une idée du temps que consacre Thierry Dubois, journaliste professionnel et ingénieur aéronautique de formation, à enquêter ? Avez-vous également une idée de ce que cela coûte à Aerobuzz pour mettre en ligne des informations que vous ne trouverez nulle par ailleurs… ou alors plus tard, une fois que nous aurons été repris… ?

      Combien êtes-vous prêt à payer pour être informer ? Je vous rappelle que toutes les infos sur Aerobuzz.fr sont mises à la disposition de nos lecteurs gratuitement ! Alors un peu d’indulgence s’il vous plait…

      Gil Roy

      Rédacteur en chef d’Aerobuzz.fr
      Fondateur d’Aerobuzz.fr

    • Peter K.

      Boeing 787, la piste d’une batterie en surcharge
      Je ne peux que féliciter le travail d’information et de vulgarisation que fait AeroBuzz et ses contributeurs!

      Et il est d’autant plus surprenant de lire les attaques infondées et gratuites de Colibri, qui est visiblement moins connaisseur qu’il ne prétend l’être en matière de technologies aéro. Le boîtier montré dans l’article est ce qui se trouve dans la baie électronique d’un avion commercial moderne et répond aux normes ARINC 600.

      Pour plus d’information à ce sujet, le site du NTSB peut être consulté facilement, et même sans savoir l’anglais, les photos restent intéressantes: http://www.ntsb.gov/investigations/2013/boeing_787/boeing_787.html

      Merci aux auteurs pour leur engagement!
      Peter K.

  • michael tolini

    Boeing 787, la piste d’une batterie en surcharge
    Tout cela est parfaitement exact, c’est pour cela que les « chargeurs » de ces batteries coutent une fortune, jusqu’a 3 fois la valeur de la batterie elle meme.
    Northrop travaille depuis qqs annees sur ce type de batteries qui vont equiper la prochaine generation de satellites espions, (et qui equipent deja le bombardier furtif B2) le jeux en vaut la chandelle puisque la technologie Li-ion permet une economie de poids tres importante.
    C’est SAFT (USA) qui les construit,, sous la houlette de Northrop, cocorico !

    • ratel

      Boeing 787, la piste d’une batterie en surcharge
      cher ami, je suis tout à fait d’accord sur le sujet, les batteries de puissance etaient
      mon domaine pendant 37 années à la sncf, et croyer moi actuellement nous n’avons
      pas ce genre de batteries sur le matériel roulant SNCF. il faut faire des recherches plus
      pointues sur le sujet et je pense q’une solution sera positive sur le sujet!!!!!

      recevez cher ami mes sincéres salutations

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