Optimiser les performances des batteries VE avec des solutions de test avancées

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

Enjeux du test de batteries VE

Alors que la demande pour les VE augmente, il sera nécessaire d'innover des batteries qui atteignent durabilité, densité de puissance, sécurité, coût inférieur, autonomie accrue et temps de recharge plus rapide en utilisant un processus rapide, rentable et économe en énergie.

Un aspect important de la conception de batteries est le test de performance pour s'assurer que les nouvelles batteries atteignent leurs objectifs de conception. Les tests de batteries VE peuvent être coûteux et chronophages sans les derniers systèmes et méthodologies. L'utilisation des meilleures pratiques et des technologies de pointe tout au long du processus de test de batteries peut aider à résoudre rapidement et facilement les défis de conception de batteries.

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

Identifier les problèmes de performance et de sécurité

Il est essentiel de considérer l'impact d'une mauvaise performance. L'omission de tests non obligatoires peut conduire à des problèmes de performance ou de sécurité qui passent inaperçus. Le rappel d'un produit plus loin dans le processus de production est coûteux. Le temps nécessaire pour rectifier le problème affecte significativement le calendrier pour mettre sur le marché une version pleinement opérationnelle. Dans un marché évoluant à un rythme si rapide, ces retards ne sont pas justifiables.

Omettre les tests des premières étapes de conception et de production peut sembler un raccourci. En réalité, c'est une stratégie à haut risque qui pourrait entraîner des retards importants de mise sur le marché si un problème reste non détecté.

Réduire les coûts opérationnels

Un laboratoire de test bien conçu peut générer des économies opérationnelles tangibles pour ceux qui travaillent dans le secteur R&D des batteries VE.

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

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

Améliorer les opérations du laboratoire

Des tests approfondis nécessitent de gérer et d'évaluer efficacement de grandes quantités de données. Une façon de gérer de grands volumes de données de test est de choisir un logiciel d'opérations de laboratoire qui offre des fonctionnalités d'intégrité et de traçabilité des données. Les applications logicielles peuvent également offrir des outils d'analyse de données aux côtés de 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 VE et les systèmes de gestion de batteries incluent les suivants :

• Tests fonctionnels, de vieillissement, d'environnement et de performance.
• Tests standard et conformes aux normes (ISO, DIN, EN, SAE).
• Résistance (interne), charge, énergie, capacité, efficacité, durabilité cyclique, calendaire, comportement thermique et résistance mécanique.
• Analyse de durabilité, d'autonomie et d'efficacité.
• Mesure d'impédance électrochimique et voltammétrie cyclique.

Exemple de test : Mesure de la résistance interne DC (DCIR)

La DCIR mesure la caractéristique de résistance DC d'une cellule de batterie. Nous aborderons la DCIR car c'est une mesure importante dans l'industrie automobile en raison des forts courants de pointe vus par les batteries VE. Les ingénieurs doivent comprendre comment le pack de batteries réagira à ces forts courants de pointe, donc connaître la résistance DC est critique.

Figure 2. Formes d'onde de tension et de courant attendues de la mesure DCIR en utilisant 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 c'est de la DCIR, nous faisons une vraie mesure de résistance DC. Comme montré dans les Figures 2 et 3, un changement d'échelon est utilisé et la DCIR est calculée comme DCIR = (V_avant_échelon – V_après_échelon) / (I_avant_échelon – I_après_échelon).

Figure 3. Formes d'onde de tension et de courant attendues de la mesure DCIR en utilisant une impulsion de décharge de -100 Ampères. (Image : Keysight)

Normalement, la première mesure (avant l'échelon) est faite quand la cellule est au repos, donc V_avant_échelon = tension de circuit ouvert (OCV) de la cellule et I_avant_échelon = 0 ampères. Le changement d'échelon appliqué en courant peut être une augmentation de courant, qui est une impulsion de charge, ou une diminution de courant, qui est une impulsion de décharge. En fait, vous pouvez vouloir mesurer la DCIR dans les deux directions et comparer ou faire la moyenne des résultats. Voir Figure 4.

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

Quant à la taille de l'échelon de courant, elle est normalement grande car la faible résistance de la cellule aura besoin d'un grand échelon de courant pour créer une réponse mesurable en tension. Les demandes d'échelon de courant peuvent aller jusqu'à 20 C. Pour une cellule de 50 Ah, cela fait 1000 A, donc l'équipement DCIR peut être grand et coûteux. Avec de forts courants, vous ne pouvez pas laisser le fort courant 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, changer l'état de charge (SoC) de la cellule n'est pas souhaitable, donc le courant est généralement appliqué sous forme d'impulsion courte.

Maintenant, quelle devrait être la largeur de l'impulsion si on en applique une à la cellule ? Aussi, si on mesure V_après_échelon, quand est le bon moment pour faire 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 échelon » (généralement un état de repos, comme mentionné ci-dessus).

Analyse approfondie de la DCIR

Pour répondre à la question de la largeur d'impulsion, regardons la signification de la DCIR. La DCIR mesure la résistance de sortie série ohmique DC 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 la DCIR, nous ne nous soucions que des résistances ohmiques DC non variables dans le temps. Le changement de tension dû à ces résistances ohmiques apparaîtra instantanément à l'application de l'impulsion de courant. Ainsi, pour mesurer les résistances ohmiques DC, vous devez mesurer immédiatement la réponse en tension à l'application de l'impulsion de courant. Cela signifie que la longueur de l'impulsion n'a pas d'importance, et l'impulsion n'a pas besoin d'être plus longue que le temps de mesure de la réponse en tension de la cellule. En fait, vous voulez que cette impulsion soit la plus courte possible pour éviter l'auto-échauffement et tout changement inutile de SoC causé par la charge ou la décharge de la cellule pendant l'impulsion.

Les ingénieurs et scientifiques demandent souvent des impulsions DCIR de 1, 10 ou 30 secondes de large et mesurent la réponse en tension de la cellule V_après_échelon à la fin de ces impulsions. Ce n'est pas une mesure DCIR mais plutôt une mesure d'impulsion DC.

Si mesurée à la fin de l'impulsion, V_après_échelon inclura certainement les effets de la résistance ohmique DC. Cependant, V_après_échelon inclura certains effets électrochimiques AC et, plus significativement, inclura un changement de tension dû à la charge ou la décharge de la cellule pendant l'impulsion. À mesure que la longueur de l'impulsion devient plus longue et que l'amplitude de l'impulsion devient plus grande (rappelez-vous, ce test pourrait être exécuté à 20 C), cet effet de charge/décharge sur l'OCV peut être assez important par rapport au changement minimal de tension causé par un courant de 20 C traversant quelques milliohms de vraie résistance ohmique de la cellule.

Configuration de test

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

Mesurer la DCIR en utilisant 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 rapide. Si le front est lent, le temps qu'il faut pour faire la transition de I_avant_échelon à I_après_échelon permettra des effets électrochimiques rapides non-DC de se produire, de sorte que la mesure de la réponse en tension inclura à la fois les composantes de tension ohmique DC et certaines composantes de tension électrochimique AC.
2. La réponse en tension V_après_échelon doit être mesurée rapidement et immédiatement après que l'échelon de courant appliqué est terminé. Si la mesure est lente ou retardée, V_après_échelon inclura des effets électrochimiques rapides non-DC. Poussé à l'extrême, si V_après_échelon est mesuré trop lentement après la transition, la mesure DCIR devient une mesure d'impulsion DC.

Conclusion

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

Cet article a été rédigé par Bob Zollo, Architecte de solutions, Tests de batteries pour solutions Énergie et Automobile et Brian Whitaker, Responsable marketing produit, tous deux chez Keysight Technologies (Santa Rosa, CA). Pour plus d'informations, visitez ici.