L'équipement de test le plus avancé tire le meilleur parti des batteries

Les batteries font désormais partie de la vie de tous les jours. Après avoir alimenté la croissance massive de l'informatique et des communications mobiles, les batteries sont désormais un élément essentiel de la révolution verte. Les véhicules électriques et les systèmes de stockage domestique ne sont que quelques exemples d'utilisation de batteries pour stocker de l'électricité produite de manière propre et rendre cette énergie disponible chaque fois que cela est nécessaire. La dépendance aux batteries souligne l'importance des tests et des mesures pour s'assurer que les systèmes fonctionnent à leur efficacité maximale.

"Le remplacement d'autres systèmes d'alimentation par batterie et la durée de vie de la batterie sont des problèmes importants de nos jours", déclare Philipp Weigell, directeur de la gestion des produits pour les produits d'alimentation, les compteurs, les sources et les analyseurs audio chez Rohde & Schwarz.

Lors de la conception, les équipes d'ingénierie doivent comprendre si les circuits de charge et les circuits consommateurs d'énergie fonctionnent tous aussi efficacement que possible avec la conception de la batterie. La performance sur le terrain est également importante. Des tests de production de haute qualité sont essentiels pour garantir que seules des batteries de haute qualité sont fournies. Ceux qui présentent un risque de défaillance précoce doivent être identifiés et affectés à une station de reconditionnement. Sur le terrain, les gestionnaires de flottes de véhicules électriques doivent être en mesure de vérifier si les batteries sont sous-performantes ou présentent des difficultés à les remplacer avant qu'elles ne provoquent une panne.

Au fur et à mesure que le concept de jumeaux numériques sera mieux accepté, la valeur de ces tests de production et de maintenance s'étendra jusqu'à la phase de conception. L'accès aux données opérationnelles à long terme montrera comment les systèmes fonctionnent dans différentes conditions de charge. Cela fournira des informations importantes que les équipes d'ingénierie pourront utiliser pour optimiser les futures conceptions de systèmes, ainsi que les ajustements du micrologiciel qu'elles pourront effectuer pour améliorer les performances des équipements déjà opérationnels.

Les tests de batterie nécessitent rapidité, précision et facilité d'utilisation

Que ce soit dans la conception, la production ou la maintenance, la vitesse et la précision sont parmi les aspects les plus importants de la performance des équipements de test. Les paramètres clés des batteries sont la tension et la résistance. La résistance est traditionnellement mesurée en connectant une charge à la batterie. Cependant, les sociétés de test ont appliqué un certain nombre de stratégies sophistiquées pour améliorer la précision et la facilité d'utilisation, à la fois en laboratoire et sur le terrain, afin de répondre à la grande variété de chimies de batterie utilisées aujourd'hui.

Cela a conduit à des conceptions telles que le BT3554 de Hioki, spécialement conçu pour l'entretien des batteries au plomb, souvent utilisées dans les alimentations sans interruption (UPS) et des applications similaires. Le BT3554 est conçu pour fournir un diagnostic complet de l'état des batteries au plomb même lorsqu'elles sont connectées à un appareil et sans qu'il soit nécessaire de déconnecter l'appareil. Cela facilite la maintenance de l'onduleur et réduit les temps d'arrêt.

La chimie de la batterie et les objectifs de test jouent un rôle majeur dans la conception de l'instrument. Kai Scharrmann, ingénieur et responsable des ventes chez Hioki Europe, explique qu'il est relativement facile de déterminer l'état d'une batterie au plomb grâce à de simples mesures de tension et à des calculs de résistance interne. « Vous pouvez dire très rapidement si une batterie doit être remplacée ou non, et il s'agit généralement d'une mesure à une fréquence. Si vous ne mesurez qu'une seule fréquence, il devient extrêmement difficile de juger à partir de ce seul niveau de mesure si une batterie lithium-ion est OK ou non."

Dans la transition vers les produits chimiques à base de lithium, la structure de la batterie joue un rôle important dans les tests de maintenance et de production, ainsi que dans la recherche et le développement, explique Scharrmann. "L'une des choses vraiment importantes est de faire des mesures précises au niveau cellulaire. Prendre des mesures sur un paquet ne donne rien car, s'il est en série, on ne sait pas quelle cellule est affectée. Il est possible que vous ayez des cellules parfaites, mais qu'une soit endommagée. Comment allez-vous trouver cette cellule endommagée si vous mesurez simplement l'ensemble du paquet ?"

Dans de nombreux cas, les cellules des batteries lithium-ion sont disposées en série, ajoute Scharrmann. "Si vous le mettez en série, vous avez besoin d'un système de gestion de batterie ou d'une carte de protection. Lors de la mesure, le système de gestion de la batterie est également mesuré. Cela peut être fait, mais il y a beaucoup plus à considérer qu'avec une vieille batterie au plomb conventionnelle."

Les applications entraînent le besoin d'une plus grande efficacité

La performance des cellules individuelles devient de plus en plus importante pour un nombre croissant d'applications. L'industrie automobile est un environnement exigeant ce niveau de détail, car les performances de l'ensemble du système électrique déterminent l'autonomie d'un véhicule électrique.

« Parfois, les cellules de la batterie elles-mêmes sont sélectionnées. Par exemple, dans le sport automobile, où l'extraction de performances maximales est cruciale, les cellules de batterie qui composent les packs sont entièrement sélectionnées à la main. Un balayage de fréquence est effectué sur chaque cellule et, sur la base de ces mesures, il est décidé lesquelles seront regroupées dans un faisceau », explique Scharrmann.

Les tests de production et de maintenance nécessitent un bon support de performance et des résultats facilement interprétables, tandis que les instruments de recherche et développement doivent répondre à la demande de précision, explique Scharrmann. "En fait, la précision de l'instrument peut déterminer la conformité." Il cite comme exemple les exigences de l'EPA (United States Environmental Protection Agency) pour déterminer l'efficacité et l'autonomie des véhicules électriques. "Un bon équipement de test et de mesure peut vraiment aider à obtenir une certification", ajoute-t-il.

La précision est essentielle pour développer des systèmes capables de tirer pleinement parti du comportement des batteries lithium-ion. À mesure que l'efficacité augmente, la précision devient plus importante. Cela s'applique aux alimentations qui nécessitent le moins de déchets possible lors du contrôle de l'électronique en aval, ainsi qu'aux onduleurs dans les systèmes plus importants utilisés pour contrôler les moteurs électriques. Actuellement, le rendement est proche de 90 %. Même une petite amélioration de l'efficacité réduit considérablement le gaspillage d'énergie. Par exemple, un rendement supérieur d'un point de pourcentage signifie 10 % d'énergie gaspillée en moins.

Scharrmann dit que des efforts importants sont faits dans la conception d'onduleurs haute fréquence grâce à l'avènement des procédés au carbure de silicium et au nitrure de gallium. "Les vitesses d'horloge de commutation augmentent tellement maintenant que vous avez besoin d'un équipement de mesure vraiment précis pour pouvoir mesurer les gains", explique-t-il. La durabilité joue également un rôle essentiel dans la conduite des exigences de test. "Les batteries lithium-ion ont tendance à contenir beaucoup de cobalt, qui n'est pas exactement le produit le plus écologique de la planète." Concevoir des systèmes pouvant héberger des batteries construites avec différents matériaux peut grandement contribuer à améliorer les mesures de durabilité.

Instruments pour comprendre la consommation d'énergie

Dans les systèmes à faible consommation d'énergie, les nombreux types d'états de veille et le traitement à grande vitesse qui peuvent être utilisés compliquent l'analyse des performances de la batterie. Une conception soignée des batteries de condensateurs peut aider à prolonger la durée de vie de la batterie en réduisant la taille des courants de crête que les cellules doivent fournir. En plus des analyseurs de puissance conventionnels, les unités de mesure à la source (SMU) sont désormais utilisées pour caractériser les performances de ces systèmes.

«Estamos empezando a ver el uso de SMU en las pruebas de baterías», afirma Bradley Odhner, Technical Marketing Manager de Tektronix y Keithley Instruments, y añade que las numerosas empresas emergentes que construyen dispositivos de Internet de las Cosas (IoT) pueden beneficiarse de elles. « Les SMU sont idéales pour les entreprises qui veulent un instrument capable de faire beaucoup de choses, mais aussi des choses très complexes, surtout quand on commence à parler de miniaturisation des appareils. Les gens essaient de tirer le meilleur parti de tout l'équipement qu'ils utilisent afin de pouvoir fabriquer les meilleurs produits possibles. »

Weigell explique : « Un SMU vous permet d'effectuer des mesures très précises, en obtenant une précision à des courants très faibles et en moins d'une seconde à des courants élevés. De cette façon, vous pouvez vraiment comprendre la consommation d'énergie, puis vous pouvez la corréler avec d'autres caractéristiques. » Il ajoute que la flexibilité des mesures facilite l'analyse à un niveau granulaire de l'évolution de la consommation d'énergie et des demandes de batterie au fil du temps, par exemple lorsqu'un utilisateur passe de la lecture d'e-mails à la lecture de vidéos.

De l'IoT aux flottes de véhicules électriques, les batteries jouent un rôle essentiel. Pour maximiser l'efficacité et la durée de vie de l'équipement, il est clairement nécessaire de comprendre comment les batteries fonctionnent dans les systèmes et sur le terrain. Par conséquent, les équipements de test et de mesure jouent un rôle essentiel tout au long de leur cycle de vie et les principaux fabricants mondiaux relèvent ce défi.

Par Cliff Ortmeyer, responsable mondial du marketing technique chez Farnell