Tester et surveiller les températures des batteries passent par le choix du bon équipement

La surveillance de la température est nécessaire tout au long du cycle de vie d’un système de batteries, de sa conception à sa qualification. Comme l’explique Bernard Ang, Product Marketing Manager chez Keysight Technologies, un système d’acquisition de données associé à une alimentation en courant continu devient incontournable pour garantir une solution de test complète, fiable et évolutive.

Par Bernard Ang, Product Marketing Manager chez Keysight Technologies, article adapté par Cédric Lardière.

Dans les applications électroniques actuelles, presque tous nos appareils portables sont alimentés sur batteries. Ces dernières servent également de systèmes d’alimentation de secours dans les grands sites. De plus, les véhicules 100 % électriques utilisent de grands blocs de batteries en cascade pour fournir la puissance attendue permettant d’atteindre les performances demandées.

Ces blocs de batteries ont besoin de la puissance spécifique (W/kg) requise pour pouvoir distribuer suffisamment de courant afin d’assurer la performance en termes de vitesse du véhicule électrique. Ils ont également besoin de l’énergie spécifique requise (Wh/kg) pour obtenir une plus grande autonomie.

La plupart des batteries rechargeables actuelles utilisent la technologie lithium-ion (Li-ion) et fonctionnent dans une plage de températures comprise entre +15 et +35 °C, températures auxquelles leurs performances et leur capacité sont optimales. Si la batterie fonctionne à une température ambiante inférieure à +15 °C, les réactions électrochimiques au cœur de la batterie risquent d’être ralenties et, par conséquent, les performances de la batterie et sa capacité de charge seront réduites.

Si la batterie, ou le bloc de batteries, fonctionne à une température supérieure à +35 °C, la dégradation de la batterie peut s’accélérer avec le temps. Par conséquent, l’utilisateur peut constater une durée de vie plus courte de sa batterie, un vieillissement non uniforme dû aux gradients thermiques, une plus grande exposition aux problèmes de sécurité et des coûts de cycle de vie plus élevés. À des températures extrêmement élevées, les batteries peuvent même se briser et provoquer des fuites, de la fumée, des incendies, voire des explosions.

La polyvalence du système d’acquisition de données

Un système d’acquisition de données est l’un des instruments les plus polyvalents pour mesurer la température d’un ou plusieurs objets. Il permet, ici, de surveiller la température en plusieurs points du circuit de batterie d’un appareil. En général, on teste d’abord les blocs de conception fonctionnels de manière indépendante, puis les blocs de conception sous-intégrés pendant la phase de conception et de développement. Le test des packs et systèmes de batteries en laboratoire ont lieu dès le début du cycle de conception à l’aide de plusieurs instruments couramment utilisés en recherche et développement.

Un système d’acquisition de données peut être utilisé pour plusieurs opérations : surveiller donc la température en plusieurs points du système de batterie d’un produit, mais aussi charger le système de batterie avec une alimentation en courant continu, et utiliser une charge électronique en courant continu pour décharger le système de batterie. Dans une installation classique en laboratoire, il est possible de remplacer l’alimentation en courant continu séparée et la charge électronique en courant continu par une alimentation en courant continu bidirectionnelle capable de générer et d’absorber du courant.

En utilisant un logiciel d’acquisition de données sur PC, il est possible de configurer et d’exécuter plus aisément des tests et d’obtenir des résultats plus rapidement. Certains logiciels permettent de construire graphiquement des tests automatisés et réduisent considérablement leur temps de développement. Le logiciel permet essentiellement de régler les instruments de manière visuelle et intuitive, de séquencer les mesures et d’interagir avec plusieurs instruments pour aider à créer son propre test automatisé complet. En résumé, il permet d’améliorer la productivité.

Le logiciel d’acquisition de données sur PC PathWave BenchVue (voir ci-contre) de Keysight Technologies permet par exemple de tester le système de gestion de la batterie d’un appareil, en faisant varier les sources de charge et en déchargeant la charge électronique, tout en supervisant la température et le comportement du système de batterie, ainsi que d’effectuer des mesures de points de température multiples pour évaluer les variations d’une cellule à l’autre, et de définir des déclenchements d’alarme pour surveiller si la température, les tensions ou les courants passent au-dessus ou en dessous des limites acceptables.

Flexibilité des tests et du contrôle

L’utilisation d’instruments de mesure en banc d’essais peut être pertinente pour résoudre rapidement un problème et vérifier la conception d’un système de batteries. Cependant, pour effectuer des tests complets respectant les normes et les règles de conformité, il convient d’utiliser un système spécialisé, fourni avec un logiciel de test de batteries dédié et contrôlé de manière centralisée. Disposer d’une telle solution permet d’effectuer des tests fiables et précis, que ce soit au niveau de la cellule, du module ou du pack de batteries. Un bon système de test doit pouvoir effectuer des mesures personnalisées de performances, de fonctionnement, de vieillissement et d’environnement.

Le Scienlab SL100X (voir ci-contre) de Keysight Technologies est un système de test de batteries spécialisé et évolutif (jusqu’à 1 000 V, ±2 400 A et ±360 kW), allant de solutions individuelles autonomes jusqu’à des systèmes de test entièrement intégrés et prêts à l’emploi pour laboratoire. La « scalabilité » est un facteur très important pour protéger les investissements en matériel d’un industriel. Le système de test de batteries doit également être modulable et adapté à diverses applications de stockage d’énergie, du transport automobile à l’industrie, en passant par d’autres cas de figure d’utilisation sur site.

En plus de cette évolutivité, un bon système de test de batteries est livré avec des environnements intégrés, tels que des chambres thermiques et climatiques, des systèmes de contact standardisés pour une intégration facile et adapté à n’importe quel dispositif sous test (DUT). Il est également important de disposer de mécanismes de sûreté et de sécurité intégrés pour éviter les situations potentiellement dangereuses.

Par ailleurs, un logiciel central pour le système de test de batteries est essentiel pour contrôler des systèmes de test individuels, ou multiples, entièrement intégrés pour les cellules, les modules et les packs. Un bon logiciel basé sur le Web sera également capable de contrôler et surveiller tous les composants de l’environnement de test, de personnaliser les procédures de test grâce à la disponibilité de tests standard prédéfinis, d’exécuter des mesures de test avec enregistrement des données et horodatage pour une analyse synchronisée, et de fournir une visualisation de la puissance des données de mesure. En fin de compte, le logiciel doit permettre des tests de validation, qui répondent aux normes ISO, DIN EN et SAE (Society of Automotive Engineers).