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Déséquilibre des cellules d'une batterie : causes et conséquences

Dernière modification : 04/12/2025 -  0

Le déséquilibre entre cellules désigne un écart de tension, de capacité ou de résistance interne entre plusieurs éléments d’un même pack. Idéalement, toutes les cellules devraient évoluer ensemble, avec des valeurs presque identiques. Sauf que dans la réalité, elles vieillissent chacune à leur manière. Dès qu’une cellule réagit différemment, c’est l’ensemble du pack qui doit s’ajuster pour ne pas dépasser ses seuils de sécurité.

Avant d’aller plus loin, un petit rappel sur l’architecture d’une batterie. Un pack est composé de modules, eux-mêmes composés de cellules.
Ces cellules peuvent être reliées:

• en série, pour additionner les tensions et obtenir la tension globale du pack
• en parallèle, pour additionner les capacités et réduire la résistance interne du groupe

A lire : rappel sur l'organisation interne d'une batterie (schéma)

Un module peut donc contenir plusieurs cellules en parallèle, puis plusieurs modules sont mis en série pour obtenir la tension voulue. Le déséquilibre peut apparaître à tous ces niveaux. Une cellule d’un groupe parallèle peut être plus faible que ses voisines. Un module entier peut dériver par rapport aux autres. Le pack finit alors par fonctionner selon l’élément le plus fragile de la chaîne, même si la majorité pourrait encore fournir plus.

Pourquoi le déséquilibre pose problème

Même si certaines parties sont en parallèle, l’architecture globale d’un pack impose toujours une grande portion en série. Et c’est là que les ennuis commencent. Quand les cellules montées en série n’ont plus la même tension ou la même capacité utile, celle qui atteint ses limites en premier dicte le comportement du pack.

Les cellules et modules mis en série sont alors limités par la cellule la plus faible, celle qui atteint trop vite ses seuils haut ou bas. Concrètement, une seule cellule dégradée peut réduire l’énergie utile alors que toutes les autres pourraient encore fournir plus. Le système s’arrête parce que l’un des maillons ne suit plus.

Le déséquilibre se traduit par des tensions différentes entre cellules. La charge devient alors moins efficace, la décharge devient plus courte et le BMS passe son temps à limiter ce qui pourrait fonctionner parfaitement si tout le monde était homogène.

Une cellule qui monte trop vite en tension stoppe la charge. Une cellule qui chute trop vite arrête la décharge. L’énergie disponible se réduit, et le BMS passe son temps à protéger au lieu d’exploiter.

Le déséquilibre finit donc par limiter l’autonomie, rendre certaines charges interminables et fatiguer un peu plus les cellules déjà fragiles. C’est un cercle vicieux: la cellule faible ralentit tout le monde, et le pack perd en homogénéité au fil du temps.

Incidences sur la charge

En charge, une cellule qui grimpe trop vite atteint le seuil haut avant les autres. Le BMS coupe alors pour éviter une surtension. Résultat: charge incomplète, autonomie en baisse et fin de charge qui n’en finit plus, car le balancing doit réduire ce surplus cellule par cellule.

Une cellule en avance chauffe davantage. Sa résistance interne augmente encore, ce qui accentue le phénomène. Avec le temps, elle devient un point faible permanent du pack.

Ce qui se passe si le BMS ne corrige pas

Un BMS qui ne s’occupe pas du déséquilibre, ce serait comme un prof qui laisse un élève recopier toutes les mauvaises réponses sans broncher.
Voici ce qui arrive:

• surcharge de la cellule trop haute, avec dégradation rapide de l’électrolyte
• décharge profonde de la cellule trop basse, avec dissolution de cuivre et perte de lithium actif
• montée en température localisée, gonflement puis éventuel emballement thermique (en gros incendie de batterie)

C’est peu probable sur un véhicule moderne, mais techniquement possible si la gestion est mal calibrée ou si une cellule lâche brutalement.

Le lien direct avec la résistance interne

La résistance interne est l’un des indicateurs les plus fiables pour évaluer l’état d’une cellule. Sur une cellule lithium de traction en bon état, on mesure généralement une valeur comprise entre 8 et 15 mΩ ACIR. À ce niveau, la cellule fonctionne correctement, chauffe peu et reste stable en charge comme en décharge.

Quand elle commence à fatiguer, la résistance grimpe vers 20 à 30 mΩ. Ce seuil marque une dégradation déjà significative: la tension monte plus vite pendant la charge, chute plus tôt en décharge et la cellule devient moins prévisible. C’est le stade où les premiers déséquilibres apparaissent dans un module, même si l’autonomie ne s’effondre pas encore.

Au delà de 40 à 50 mΩ, la cellule est considérée comme hors service. Elle génère trop de chaleur, perturbe le fonctionnement du pack et devient un point faible permanent. À ce stade, même un rééquilibrage complet ne suffit plus, car la dérive électrique est inscrite dans sa chimie interne.

C’est précisément pour cette raison que les réparateurs de batteries utilisent la résistance interne comme critère principal de tri. Deux cellules à la même tension peuvent être dans des états totalement différents si l’une affiche 12 mΩ et l’autre 45 mΩ. La tension seule ne dit rien; la résistance interne révèle tout. Une cellule trop haute en mΩ ne peut plus suivre le reste du pack et finit toujours par créer un déséquilibre chronique.

Les mécanismes de dégradation qui mènent au déséquilibre

Dans une cellule, plusieurs phénomènes peuvent dégrader ses caractéristiques:

• épaississement de la SEI
• perte de lithium cyclable
• microfissures dans les électrodes
• dépôts métalliques et début de formation de dendrites
• corrosion interne
• assèchement progressif de l’électrolyte

A lire : les mécanisme de dégradation interne dans le détail

Chaque problème modifie la capacité ou la résistance interne. À partir de là, la cellule sort du rang et commence à dégrader l’harmonie du module.

La qualité des cellules joue énormément

La qualité d’une cellule ne se résume pas à un nom de marque ou à un joli sticker sur un module. Tout se joue dans la régularité de fabrication. Une batterie bien équilibrée sur la durée, c’est d’abord un ensemble de cellules qui sortent d’usine avec des caractéristiques proches: capacité, résistance interne, pureté des matériaux, homogénéité du coating.
Dès que ces valeurs dérivent trop d’une cellule à l’autre, le pack vieillit en mosaïque. Certaines tiennent le coup, d’autres se dégradent deux fois plus vite, et le BMS passe son temps à rattraper la différence.

Ce qui compte réellement, c’est la stabilité des électrodes dans le temps. Une électrode mal uniformisée, un collecteur un poil trop irrégulier ou un électrolyte avec des impuretés métalliques microscopiques suffisent à créer des écarts de comportement. Sur un véhicule neuf, on ne voit rien. Après 300 ou 500 cycles, ça se traduit par des résistances internes qui commencent déjà à diverger. L’écart paraît faible au début, mais une cellule à 12 mΩ et une autre à 18 mΩ ne vieilliront jamais au même rythme. À la fin, c’est toujours la plus faible qui dicte la capacité du module.

La qualité joue aussi sur la dérive thermique. Une cellule mieux réalisée chauffe moins et de manière plus homogène. Or la chaleur, c’est l’accélérateur du vieillissement. Une cellule légèrement plus chaude que sa voisine vieillira plus vite, ce qui fera grimper sa résistance interne, ce qui la fera encore chauffer davantage… bref un cercle qui s’installe lentement mais sûrement. Quand ce type de dérive touche plusieurs cellules dans un même module, on se retrouve avec une cohérence interne perdue, et là le BMS n’a plus assez de marge pour compenser.

Il faut aussi rappeler que même un tri rigoureux n’est jamais parfait. Les constructeurs classent les cellules par lots (binning), mais si les tolérances sont trop larges ou si la production varie d’un lot à l’autre, les modules deviennent hétérogènes avant même d’être assemblés. On le remarque juste plus tard, quand certains modules plafonnent rapidement en charge alors que d’autres pourraient monter encore. Ce n’est pas un mystère, juste la conséquence directe d’une fabrication un peu trop dispersée.

Influence de l’architecture série/parallèle

Les groupes de cellules en parallèle amortissent un peu le déséquilibre interne. Les cellules d’un même groupe se partagent naturellement les courants et tendent à s’équilibrer entre elles, même si une dérive existe en coulisse.

Mais ensuite, ces groupes deviennent des modules mis en série. Et là, une seule différence de tension entre modules suffit à limiter tout le pack.

Plus il y a de cellules en série, plus le déséquilibre est visible et impactant. Plus il y a de cellules en parallèle, plus le phénomène est lissé, mais aussi potentiellement masqué, car une cellule faible se cache derrière les autres du groupe.
On gagne en stabilité immédiate, mais on perd en lisibilité diagnostic. C’est un petit paradoxe assez problématique d’ailleurs.

Le réétalonnage 0 à 100%, est-ce utile ?

Un cycle complet 0 à 100 peut aider le BMS à recalibrer les jauges et à retrouver une estimation correcte de la capacité. Le balancing profite aussi de ce type de session pour réduire légèrement les écarts entre cellules.

Mais ça ne répare pas une cellule usée. Si la résistance interne a grimpé ou si la capacité est vraiment descendue, le réétalonnage ne changera rien au fond. Le pack sera juste mesuré plus fidèlement, ce qui donne parfois l’impression qu’on a perdu encore un peu d’autonomie. C’est normal, juste pas très agréable.

Bref: utile pour clarifier, inutile pour guérir. Et parfois ça marche mieux sur une batterie récente que sur une vieille patate qui a déjà trop vécu.

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