Méthodes de test rapide des batteries

Une batterie ressemble à un organisme vivant qui ne peut être mesuré, mais seulement estimé par des diagnostics similaires à ceux d'un médecin examinant un patient. La précision des tests rapides varie en fonction des symptômes. Ces indicateurs changent en fonction de l'état de charge, de l'agitation après la charge et la décharge, de la température et de la durée de stockage. Un test rapide doit pouvoir faire la distinction entre une bonne batterie partiellement chargée et une batterie faible entièrement chargée. Les deux variantes offrent des durées de fonctionnement similaires entre les mains de l'utilisateur, mais ont des niveaux de performance différents.

Une analyse des performances largement utilisée est le comptage de Coulomb, qui permet de mesurer les énergies d'entrée et de sortie. Le comptage de Coulomb remonte à 250 ans, lorsque Charles-Augustin de Coulomb a établi pour la première fois la "règle de Coulomb". Le concept est élégant, mais le comptage de Coulomb a son propre problème : il perd de sa précision lorsque la batterie est chargée et déchargée de manière aléatoire. L'estimation de l'état de santé (SoH) par une solution numérique est incomplète si elle ne tient pas compte de la batterie chimique.

Le principal indicateur de santé d'une batterie est capacité. La capacité représente le stockage de l'énergie, une qualité qui s'estompe progressivement et définitivement à l'usage. Les autres caractéristiques responsables de la SoH sont la résistance interne qui régit le courant de charge et la capacité de charge. autodécharge qui examine l'intégrité mécanique. Ces trois caractéristiques doivent être réunies pour qu'une batterie soit considérée comme saine.

L'estimation de la capacité de la batterie chimique à la volée est la plus complexe. Cela implique des algorithmes et des matrices qui servent de tables de recherche similaires à la reconnaissance des lettres ou des visages. Les méthodes modernes de test rapide s'orientent vers l'apprentissage automatique avancé pour saisir les nombreuses humeurs d'une batterie.

Voici un résumé des méthodes d'essai simples à complexes pour examiner les batteries.

Tension	Révèle le SoC. L'estimation de la capacité n'est pas possible.
Test ohmique	Mesure la résistance interne de la batterie pour vérifier les caractéristiques de charge et identifier les défauts. Les relevés de résistance ne sont pas en corrélation avec la capacité. Le test ohmique est également connu sous le nom de test d'impédance (Z).
Cycle complet	Lit la capacité de la batterie chimique avec un cycle de charge/décharge/charge. Les résultats sont précis, mais la batterie doit souvent être retirée du service et les tests durent des heures.
Test rapide	La plupart des méthodes de test rapide sont basées sur le domaine temporel ou le domaine fréquentiel. Le domaine temporel excite la batterie avec des impulsions pour observer le flux d'ions des batteries Li-ion. Le domaine fréquentiel balaie la batterie avec plusieurs fréquences pour générer un tracé de Nyquist à des fins d'analyse. Les deux méthodes nécessitent des algorithmes complexes avec des paramètres ou des matrices qui servent de tables de recherche.
BMS	Les systèmes de gestion des batteries évaluent le SoC en surveillant la tension, le courant et la température. Certains BMS pour Li-ion comptent également les coulombs. Un BMS peut identifier un défaut de la batterie mais n'est pas en mesure d'estimer la capacité avec précision.
Comptage de Coulomb	Lit le courant entrant et sortant. La batterie intelligente stocke les données dans le registre de la capacité de charge totale (FCC) qui peut être consulté, mais les lectures peuvent être inexactes si la batterie n'est pas calibrée. Un cycle complet corrige l'erreur de suivi.
Analyseur de batterie	Une nouvelle méthode pour estimer la capacité pendant la charge. Un algorithme de filtrage propriétaire établit le SoC précis ; le comptage des coulomb estime la capacité de la batterie.

Méthodes de test rapide

Aucun test unique ne peut saisir tous les indicateurs de santé d'une batterie. De nombreux dispositifs de test rapide ne prennent en compte que la tension et la résistance interne. Alors que la perte de capacité d'une batterie NiCd ou NiMH peut être corrélée à l'augmentation de la résistance interne, cette relation est moins évidente avec les batteries au lithium et au plomb. La publicité pour l'estimation de la capacité avec un testeur qui ne mesure que la tension et la résistance interne peut être trompeuse. Elle fait croire à l'industrie que des résultats complexes peuvent être obtenus avec des méthodes simplistes. Les instruments basés sur la résistance permettent en effet d'identifier une batterie mourante ou déchargée, mais l'utilisateur fait de même.

Une batterie est un dispositif réactif et la méthode par laquelle les mesures de résistance sont prises est importante. Une mesure en courant continu examine les valeurs résistives pures, tandis que le courant alternatif comprend des composantes réactives qui fournissent des informations supplémentaires. Figure 1 représente l'impédance d'une batterie Li-ion en bon état et d'une batterie Li-ion défectueuse lorsqu'elle est balayée par un courant alternatif de 0,1 Hz à 1 kHz. Les plus fortes variations d'impédance (-Imp -Z) sont observées sur l'échelle des basses fréquences allant de 1Hz à 10Hz.

Les variations d'impédance sont plus visibles en dessous de 10 Hz. L'échelle horizontale est logarithmique pour condenser la gamme de fréquences.
^{Source : Cadex Electronics}
Il convient de noter que les relevés résistifs seuls ne sont pas concluants. Il n'y a pas de taille unique et les signatures varient en fonction de la taille et du type de batterie. Les résultats sont en outre faussés par les niveaux de SoC, l'agitation et la température. Les laboratoires Cadex ont en outre découvert des différences dans la manière dont les piles sont vieillies. Le plus étonnant est de savoir pourquoi le vieillissement naturel produit des signatures différentes de celles du vieillissement artificiel effectué dans des chambres environnementales avec des régimes de test fixes. Ce comportement humain présente des similitudes avec la longévité des personnes vivant dans différentes régions du monde.

Cadex est pionnier dans plusieurs méthodes de test rapide. Ces méthodes sont les suivantes Tri rapide spécifique au modèle, réponse dynamique électrochimique et spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS).

Tri rapide spécifique au modèle (QSMS)

QSMS observe des différences dans les valeurs résistives lors de l'évaluation d'une batterie avec des méthodes de courant continu et de courant alternatif. Par exemple, la résistance du Li-ion dans une cellule 18650 est d'environ 110 mOhm avec une mesure en courant continu et d'environ 36 mOhm avec un signal en courant alternatif de 1 000 Hz. L'écart entre les deux relevés fournit des informations sur les performances lorsqu'il est comparé aux paramètres spécifiques à la batterie qui sont stockés dans une table de recherche.

L'algorithme est relativement simple et le temps de test est court, mais la logistique de création des paramètres dérivés des batteries bonnes, marginales et mauvaises ajoute à la complexité. Le QSMS est l'une des nombreuses méthodes de test rapide que Cadex a mises au point pour classer les batteries de téléphones portables à la volée.

Réponse dynamique électrochimique (EDR)

L'EDR mesure la mobilité du flux d'ions entre les électrodes en appliquant des impulsions de charge et en évaluant le temps de réponse lors de l'attaque et de la récupération. Les temps de récupération sont comparés aux paramètres stockés relatifs aux performances de la batterie. Figure 2 démontre qu'une bonne batterie est ferme et se rétablit rapidement, alors qu'une batterie faible est molle et se rétablit lentement.

L'EDR mesure le flux d'ions entre les plaques positives et négatives. Une batterie puissante se remet rapidement d'une attaque, tandis qu'une batterie plus faible est plus lente.
^{Brevet américain 7,622,929 Source : Cadex Electronics}

Le coefficient de diffusion du Li-ion diffère selon le matériau actif et les additifs de l'électrolyte utilisés. L'EDR a été développé par Cadex pour tester rapidement une large gamme de batteries de téléphones portables. Cette technologie est actuellement développée pour tester des batteries plus volumineuses.

Spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS)

L'EIS fait passer le test rapide à un niveau de complexité supérieur en balayant une batterie avec des fréquences multiples pour générer un tracé de Nyquist. Les informations de Nyquist sont ensuite superposées à des modèles électrochimiques qui permettent d'estimer la capacité, le CCA et le SoC de manière non invasive. Le temps de test typique est de 15 secondes.

Le diagramme de Nyquist porte le nom de Harry Nyquist (1889-1976), ancien ingénieur des Laboratoires Bell. Il présente la réponse en fréquence d'un système linéaire en affichant à la fois l'amplitude et l'angle de phase sur un seul tracé en utilisant la fréquence comme paramètre. L'axe horizontal x indique l'impédance réelle Ohm tandis que l'axe vertical y représente l'impédance imaginaire. Les scientifiques prévoient que le diagnostic des batteries s'oriente vers la technologie EIS en combinant les résultats des tests avec une modélisation complexe.

Figure 3 illustre les trois domaines du tracé de Nyquist intitulé migration à haute fréquence, transfert de charge en milieu de gamme, et diffusion sur l'échelle des basses fréquences.

Le demi-cercle de fréquence moyenne représente le mieux les caractéristiques de la batterie. Les batteries plus grandes nécessitent des fréquences plus basses.
^{Source : Cadex}

En balayant une batterie du kilohertz au millihertz, le champ de migration révèle les qualités résistives d'une batterie qui représente une vue à vol d'oiseau du paysage. Des caractéristiques précieuses sont trouvées dans la gamme de fréquences moyennes appelée Transfert de charge. Ce domaine très important forme un demi-cercle représentant la cinétique de la batterie qui fournit des références SoH. La gamme basse, appelée Diffusion, comprend des informations supplémentaires relatives à la capacité, mais cela nécessite de longues durées d'essai. La taille de la batterie détermine la fréquence ; plus la batterie est grande en ampères-heures, plus la fréquence appliquée est basse.

Un test rapide devrait durer de quelques secondes à 5 minutes maximum, mais l'application de fréquences ultra-basses prolonge le temps. Par exemple, à un millihertz (mHz), un cycle dure 1 000 secondes, soit 16 minutes, et plusieurs points de données sont nécessaires pour compléter l'analyse. La durée des tests peut souvent être réduite grâce à une simulation logicielle intelligente.

L'analyse de Nyquist est bien adaptée pour tester les batteries au lithium et au plomb. La spectroscopie d'impédance électrochimique multi-modèle, ou Spectro™ de Cadex, est la première application basée sur l'EIS qui estime la capacité de la batterie. La capacité est le principal indicateur de santé ; le CCA d'une batterie de démarrage fait référence à la résistance interne de la batterie qui est responsable du démarrage du moteur. Dans une batterie bien entretenue, le CCA reste élevé alors que la capacité diminue progressivement avec l'utilisation. Un "non-démarrage" se produit lorsque la capacité tombe en dessous du niveau requis pour faire démarrer le moteur. Pour éviter les surprises, une batterie de démarrage doit être remplacée lorsque sa capacité tombe à 40 %. L'avantage de l'estimation de la capacité apparaît également clairement dans cette application.

Analyseur de batterie

Le terme "parser" est utilisé en informatique pour décrire la réception et le tri des données d'instruction. Cadex utilise ce terme pour définir la capacité de la batterie en établissant le SoC précis à l'aide d'un algorithme propriétaire (brevet en instance), puis en comptant les coulombs qui "remplissent" l'espace disponible de la batterie. La période de charge doit être suffisamment longue pour obtenir de bons résultats. Les résultats de laboratoire de Cadex montrent des précisions de capacité plus élevées avec l'analyseur de batterie que ce qui est typique avec le comptage de coulomb non calibré d'une batterie intelligente.

L'analyseur de batterie utilise des algorithmes avancés d'apprentissage automatique qui seront intégrés dans les chargeurs de batterie modernes afin d'assurer le contrôle de la qualité des batteries. Cette intégration fera du chargeur un système de supervision sans logistique supplémentaire et sans coût additionnel. Les chargeurs de batterie diagnostiques rendent les performances des batteries transparentes en éliminant le syndrome de la "boîte noire", un problème qui hante les utilisateurs de batteries depuis des siècles.

Résumé

Aucun test rapide ne peut évaluer tous les symptômes de la batterie. Il y aura toujours des valeurs aberrantes qui défieront les protocoles de test. Les prédictions correctes pour les batteries en service devraient être de 9 sur 10. Les valeurs aberrantes peuvent inclure des piles neuves qui n'ont pas été complètement formatées, ou des piles qui ont été stockées. Un faible SoC est également à l'origine d'erreurs.

La capacité est le gardien de la santé de la batterie qui est liée à l'autonomie et prédit la fin de vie. Le terme "capacité" est mal compris. Une batterie est généralement remplacée lorsque sa capacité tombe à 80 %. Lors du choix des seuils de fin de vie, une organisation doit s'assurer que la batterie la moins performante peut remplir la tâche qui lui a été assignée. La révélation de l'estimation de la capacité par un test rapide ou dans un chargeur changera la façon dont les batteries sont entretenues. Ces progrès aboutiront en fin de compte à une révolution industrielle dans le domaine des batteries.