Améliorez les performances des batteries de véhicules électriques grâce à des solutions de test avancées

Figure 1. Exemple de laboratoire de test de batteries. (Image :Keysight)

À mesure que la demande de véhicules électriques augmente, il sera nécessaire d'innover pour des batteries offrant durabilité, densité de puissance, sécurité, coût réduit, autonomie accrue et temps de recharge plus rapide, grâce à un processus rapide, rentable et économe en énergie.

Un aspect important de la conception des batteries concerne les tests de performances afin de garantir que les nouvelles batteries répondent à leurs objectifs de conception. Les tests de batteries de véhicules électriques peuvent être coûteux et prendre beaucoup de temps sans les systèmes et méthodologies les plus récents. L'utilisation des meilleures pratiques et des technologies de pointe tout au long du processus de test des batteries peut vous aider à résoudre rapidement et facilement les défis de conception des batteries.

Cet article explorera comment les tests avancés utilisant des systèmes de test de batterie EV de bout en bout peuvent améliorer la qualité et les performances des conceptions de batteries EV.

Identifier les problèmes de performances et de sécurité

Il est essentiel de considérer l’impact d’une mauvaise performance. Omettre des tests non obligatoires peut entraîner des problèmes de performances ou de sécurité qui ne sont pas détectés. Rappeler un produit plus loin dans le processus de production est coûteux. Le temps nécessaire pour résoudre le problème affecte considérablement le calendrier de mise sur le marché d’une version pleinement opérationnelle. Dans un marché qui évolue à un rythme aussi rapide, ces retards ne sont pas justifiables.

Omettre les tests dès les premières étapes de conception et de production peut sembler un raccourci. En réalité, il s'agit d'une stratégie à haut risque qui pourrait entraîner d'importants retards de mise sur le marché si un problème n'est pas détecté.

Coûts opérationnels réduits

Un laboratoire de test bien conçu peut générer des économies tangibles sur les coûts opérationnels pour ceux qui travaillent dans le secteur de la R&D sur les batteries EV.

Les systèmes de test de batterie à haute performance et à la pointe de la technologie peuvent fournir jusqu'à 96 % d'efficacité énergétique tout en régénérant l'énergie de la batterie en décharge vers le réseau CA. Cela peut conduire à des économies significatives sur les coûts d'exploitation tout au long de la durée de vie du laboratoire de test de batteries EV (Figure 1).

La technologie minimise les coûts d'un laboratoire de R&D occupé de deux manières :(1) dès le départ en optimisant l'installation de l'infrastructure de refroidissement et (2) de manière continue via une réduction notable des coûts énergétiques.

Améliorer les opérations du laboratoire

Des tests approfondis nécessitent une gestion et une évaluation efficaces de grandes quantités de données. Une façon de gérer de gros volumes de données de test consiste à choisir un logiciel d’exploitation de laboratoire offrant des fonctionnalités d’intégrité et de traçabilité des données. Les applications logicielles peuvent également offrir des outils d'analyse de données ainsi que des fonctions de gestion de flux de travail qui rationalisent votre laboratoire de test pour une efficacité optimale.

Tests de systèmes complexes

Les scénarios de test pour les batteries de véhicules électriques et les systèmes de gestion de batterie sont les suivants :

• Tests fonctionnels, de vieillissement, d'environnement et de performances.

• Tests standards et conformes aux normes (ISO, DIN, EN, SAE).

• Résistance (interne), charge, énergie, capacité, efficacité, durabilité cyclique et calendaire, comportement en température et résistance mécanique.

• Analyse de la durabilité, de la portée et de l'efficacité.

• Mesure d'impédance électrochimique et voltamétrie cyclique.

Exemple de test – Mesure de la résistance interne CC (DCIR)

DCIR mesure la caractéristique de résistance CC d’une cellule de batterie. Nous aborderons le DCIR car il s'agit d'une mesure importante dans l'industrie automobile en raison des courants de crête élevés observés par les batteries des véhicules électriques. Les ingénieurs doivent comprendre comment la batterie réagira à ces courants de pointe élevés. Il est donc essentiel de connaître la résistance CC.

Figure 2. Formes d'onde de tension et de courant attendues de la mesure DCIR à l'aide d'une impulsion de charge de +100 ampères. (Image :Keysight)

Pour mesurer la résistance, vous appliquez un changement de courant et mesurez la réponse en tension. Dans ce cas, comme il s’agit de DCIR, nous effectuons une véritable mesure de résistance DC. Comme le montrent les figures 2 et 3, un changement par étapes est utilisé et DCIR est calculé comme DCIR =(V_beforestep – V_afterstep) / (I_beforestep – I_afterstep).

Figure 3. Formes d'onde de tension et de courant attendues de la mesure DCIR à l'aide d'une impulsion de décharge de -100 ampères. (Image :Keysight)

Normalement, la première mesure (avant l'étape) est effectuée lorsque la cellule est au repos, donc V_beforestep =tension en circuit ouvert de la cellule (OCV) et I_beforestep =0 ampère. Le changement progressif de courant appliqué peut être une augmentation du courant, qui est une impulsion de charge, ou une diminution du courant, qui est une impulsion de décharge. En fait, vous souhaiterez peut-être mesurer le DCIR dans les deux sens et comparer ou faire la moyenne des résultats. Voir la figure 4.

Figure 4. Formes d'onde de tension et de courant attendues de la mesure DCIR en utilisant une charge de +/-100 ampères, puis une impulsion de décharge. (Image :Keysight)

Quant à la taille du pas de courant, elle est normalement grande car la faible résistance de la cellule aura besoin d’un pas de courant important pour créer une réponse mesurable en tension. Les demandes de pas de courant peuvent atteindre 20 °C. Pour une cellule de 50 Ah, cela équivaut à 1 000 A, l’équipement DCIR peut donc être volumineux et coûteux. Avec des courants élevés, vous ne pouvez pas laisser le courant élevé être appliqué indéfiniment, sinon la cellule chauffera et se chargera (si l'impulsion de courant est positive) ou se déchargera (si l'impulsion de courant est négative). Dans les deux cas, modifier l'état de charge (SoC) de la cellule n'est pas souhaitable, le courant est donc généralement appliqué sous forme d'impulsion courte.

Maintenant, quelle doit être la largeur de l’impulsion si nous en appliquons une à la cellule ? De plus, si nous mesurons V_afterstep, quel est le bon moment pour effectuer la mesure ? C'est immédiatement après l'application de l'impulsion ou vers la fin de l'impulsion avant que la cellule ne revienne à son état « avant l'étape » (généralement un état de repos, comme mentionné ci-dessus).

Explorer DCIR

Pour répondre à la question de la largeur d’impulsion, regardons la signification de DCIR. DCIR mesure la résistance de sortie CC série ohmique de la cellule. La résistance ohmique de la cellule provient des collecteurs de courant, des matériaux actifs des électrodes, de la conductivité ionique de l'électrolyte et d'autres connexions.

Pour le DCIR, nous nous soucions uniquement des résistances ohmiques CC qui ne varient pas dans le temps. Le changement de tension dû à ces résistances ohmiques apparaîtra instantanément lors de l'application de l'impulsion de courant. Ainsi, pour mesurer les résistances ohmiques CC, vous devez immédiatement mesurer la réponse en tension lors de l'application de l'impulsion de courant. Cela signifie que la longueur de l’impulsion n’a pas d’importance et qu’elle ne doit pas nécessairement être plus longue que le temps de mesure de la réponse en tension de la cellule. En fait, vous souhaitez que cette impulsion soit aussi courte que possible pour éviter l'auto-échauffement et tout changement inutile du SoC provoqué par la charge ou la décharge de la cellule pendant l'impulsion.

Les ingénieurs et les scientifiques demandent souvent des impulsions DCIR d'une durée de 1, 10 ou 30 secondes et mesurent la réponse en tension de la cellule V_afterstep à la fin de ces impulsions. Il ne s'agit pas d'une mesure DCIR mais plutôt d'une mesure d'impulsions DC.

S'il est mesuré à la fin de l'impulsion, V_afterstep inclura certainement les effets de la résistance ohmique DC. Cependant, V_afterstep inclura certains effets électrochimiques du courant alternatif et, plus important encore, inclura un changement de tension dû à la charge ou à la décharge de la cellule pendant l'impulsion. À mesure que la longueur de l'impulsion s'allonge et que l'amplitude de l'impulsion augmente (rappelez-vous, ce test peut être effectué à 20 °C), cet effet de charge ou de décharge sur l'OCV peut être assez important par rapport au changement de tension minimal provoqué par un courant de 20 °C circulant à travers quelques milliohms de véritable résistance ohmique de cellule.

Configuration du test

Figure 5. Configuration de test pour mesurer le DCIR. (Image :Keysight)

La mesure du DCIR à l'aide de la configuration de test de la figure 5 nécessite deux caractéristiques d'instrumentation :

1. Le dispositif appliquant l'impulsion de courant a besoin d'un temps de montée de quelques millisecondes ou plus. Si le front est lent, le temps nécessaire pour effectuer la transition de I_beforestep à I_afterstep permettra à des effets électrochimiques rapides et non continus de se produire, de sorte que la mesure de la réponse en tension inclura à la fois les composants de tension ohmique CC et certains composants de tension électrochimiques CA..

2. La réponse en tension V_afterstep doit être mesurée rapidement et immédiatement après la fin de l'étape de courant appliquée. Si la mesure est lente ou retardée, le V_afterstep inclura des effets électrochimiques rapides non continus. Poussé à l'extrême, si le V_afterstep est mesuré trop lentement après la transition, la mesure DCIR devient une mesure d'impulsion DC.

Conclusion

Investir dans les tests de batteries de véhicules électriques n’est pas simplement une nécessité technique mais un impératif stratégique pour l’avenir des transports. L'intégration de méthodologies de test avancées est cruciale pour améliorer la sécurité, l'efficacité et la longévité des batteries de véhicules électriques, soutenant ainsi la croissance rapide du marché des véhicules électriques.

Cet article a été rédigé par Bob Zollo, architecte de solutions, tests de batteries pour les solutions énergétiques et automobiles, et Brian Whitaker, responsable du marketing produit, tous deux chez Keysight Technologies (Santa Rosa, Californie). Pour plus d'informations, visitez ici  .