Comment tester une pile ? Tout sur le test des piles au lithium

La conception du système de batterie vise principalement à optimiser les performances de la batterie dans des conditions de fonctionnement normales et à protéger la cellule, mais les conditions de fonctionnement de la cellule sont toujours au-delà de sa plage de fonctionnement normale. Lithium ion test de batterie est généralement divisé en trois catégories : ① essai de caractérisation et de performance ; ② essai d'abus ; ③ essai de certification.

Les tests de caractérisation et de performance évaluent les changements de performance des batteries dans des conditions de test spécifiques. Les tests de caractérisation utilisent souvent des tests de cellules pour comprendre les performances de base d'une cellule, d'un module, d'une batterie ou d'un système dans des conditions particulières.

Le test d'abus évalue la sécurité d'un batterie lithium-ion en le plaçant dans un état de défaillance dans des conditions abusives. Les tests d'abus comprennent les tests de surcharge, de haute tension, d'aiguille, de court-circuit, de chute, etc.

L'objectif principal du test d'abus est de découvrir les conditions limites pour un fonctionnement sûr de la cellule et de l'appareil. bloc-batterie. Le test de certification exige la réalisation d'un ensemble complet de tests de batterie requis par un organisme de certification, avec de nombreux points d'attention différents. Par exemple, les Nations unies ont élaboré des normes d'essai pour le transport des marchandises dangereuses afin de garantir que les marchandises peuvent être transportées par bateau, par avion ou par route.

Lors de la conception du système de batterie, les ingénieurs en charge des batteries doivent rassembler suffisamment d'informations pour répondre aux exigences du client lors de la formulation des protocoles de conception, de validation, de planification et d'établissement de rapports. Les protocoles de conception, de validation, de planification et d'établissement de rapports doivent inclure des détails spécifiques sur tous les essais à réaliser, y compris le nombre d'unités d'essai de la batterie, la durée des essais, les lieux d'essai et les critères d'échec ou de réussite de l'essai de la batterie.

Le tableau ci-dessous donne un exemple de conception, de validation, de planification et de rapport d'une solution. Outre les essais à réaliser mentionnés ci-dessus, les exigences liées aux essais de la batterie, les critères de certification et les critères de réussite, la solution comprend également un rapport d'essai de la batterie avec des enregistrements précis. Le rapport est à jour et le processus de conception et de test est généralement documenté dans des tableaux, ce qui est simple et facile à gérer.

Test et caractérisation de la batterie

Les tests de performance des batteries se déroulent généralement en plusieurs phases, en commençant par les caractéristiques de la batterie. L'objectif de la caractérisation de la batterie est de déterminer comment la batterie se comporte sous certaines normes de fonctionnement.

Cela permet aux ingénieurs de concevoir un système qui garantit que la batterie ne fonctionne pas en dehors de cette plage. La caractérisation consiste généralement en une série de cycles de charge/décharge, effectués sur plusieurs plages de température au cours du même cycle d'essai de la batterie.

Les tests de caractérisation des batteries utilisent généralement un "circulateur" ou un "canal" qui fournit du courant et de l'énergie à la batterie, au module ou à l'ensemble de batteries, qui est contrôlé par une unité séparée qui fournit des caractéristiques programmables, et enfin le test de la batterie est effectué dans une boîte chauffante.

Veillez à ce que la batterie subisse la même température pendant le test de la batterie. La boîte chaude permet de tester la batterie, le module ou l'ensemble de batteries à une température spécifique, généralement de -40 à 60℃ et plus.

En plus des tests de performance, un certain nombre de tests de durée de vie doivent être effectués au cours de la phase de caractérisation. L'objectif de ce test est de s'assurer que la batterie fournit la puissance et l'énergie requises à la fin de sa durée de vie utile et qu'elle respecte les objectifs de la garantie.

L'essai de caractérisation comprend de nombreux essais, dont l'essai en boucle peut être la partie la plus longue de l'essai de caractérisation, pouvant durer jusqu'à un an en fonction de la taille de la batterie.

Par exemple, il est courant de constater que l'essai de durée de vie de la batterie d'un grand véhicule électrique hybride rechargeable de 10~16kWh ou d'un véhicule électrique pur prend 400~420 jours, car lors de l'essai de charge et de décharge, l'énergie électrique doit être entièrement chargée ou déchargée, et des périodes de charge (cycle) et de repos sont nécessaires pendant la décharge et la charge du bloc-batterie.

Dans cet exemple, vous pouvez avoir la chance d'effectuer une boucle tous les jours. Par exemple, si vous testez la batterie de la Chevrolet Volt avec 10,5kWh d'énergie utilisable à 120V et 15A (environ 1℃), vous devez charger complètement la batterie en 3 à 4 heures, puis la décharger à nouveau.

Si la batterie est chargée et déchargée une fois par jour pendant 10 ans, 365 fois par an et 3 650 fois en 10 ans. Ainsi, même avec trois cycles par jour, il faudrait plus de 1 200 jours (plus de 3 ans) pour réaliser ce plan de test de la batterie !

Si une seule cellule est testée, en particulier lorsque la cellule est relativement petite, elle peut être mise en circulation plusieurs fois par jour. Lors de la conception, de la vérification, de la planification et de la rédaction des protocoles, les essais de durée de vie doivent être effectués sur le produit final. Par conséquent, pour gagner du temps, le produit final peut être testé directement.

Le manuel de test de la batterie FreedomCAR a été élaboré par l'Advanced Battery Alliance en 2003, et le test de la batterie comprend :

▎Test de capacité statique - Le but de ce test de batterie est de définir la capacité de la batterie à un taux de décharge spécifique.

▎Perte de capacité - Teste la perte de capacité irréversible à un taux spécifique.

▎Test de caractérisation des impulsions de puissance hybride (HPPC) - Permet de vérifier si la cellule ou la batterie peut atteindre les objectifs de performance. Les tests de caractérisation des impulsions hybrides sont relativement simples et impliquent généralement un temps de décharge très court, une stagnation pendant un certain temps avant la charge, puis la répétition de ces processus.

Après ces essais, de nombreuses données peuvent être obtenues, notamment la relation entre la profondeur de décharge et l'impédance, la capacité de puissance d'impulsion, l'énergie et la puissance disponibles à différentes profondeurs de décharge, la perte de puissance et d'énergie au cours du cycle, les valeurs de décharge maximales et minimales de la batterie, la chaleur dégagée au cours du fonctionnement, etc.

Les autres essais de caractérisation doivent également être inclus dans les protocoles de conception, de validation, de planification et d'établissement de rapports :

▎Test d'autodécharge - Aide la conception de la batterie à déterminer la perte d'énergie pendant le stockage de la batterie.

▎Test de démarrage à froid - Teste la puissance que la batterie peut fournir pour démarrer ou redémarrer la voiture à basse température.

▎Test de performance thermique - Disponibilité de la puissance et de l'énergie à différentes températures.

▎Essai d'efficacité énergétique - Efficacité énergétique globale du système, perte d'énergie pendant le fonctionnement.

▎Test de durée de vie du cycle - Combien de graphiques peuvent être recyclés dans un environnement d'exécution prédéfini.

▎Test de durée de vie - Déterminer la durée de vie de la batterie.

Ce n'est qu'un exemple des nombreux tests de représentation. Dans les applications industrielles et grand public, certains tests de caractérisation sont similaires et d'autres sont complètement différents.

Les tests d'évaluation basés sur les batteries plomb-acide ont été appliqués dans le domaine des batteries lithium-ion. Bien que ce test soit principalement destiné aux batteries et aux batteries de démarrage et d'arrêt, il constitue également une bonne référence pour le démarrage et l'arrêt des batteries au lithium-ion.

Test de sécurité et d'abus

Les tests de sécurité et d'abus des batteries couvrent un large éventail de sujets, y compris la surcharge d'éléments individuels ou de batteries entières, les tests de piqûre d'épingle des éléments et des batteries, les tests d'impact et de vibration simulés, la pulvérisation d'une solution saline corrosive et de gravier sur les boîtiers des batteries, et les chocs avec de l'eau à haute pression.

Toutes les applications ne nécessitent pas de tester les éléments ci-dessus. Lors de la sélection des tests de sécurité et d'abus, les tests doivent être choisis en fonction du marché, de l'application et de la situation géographique.

Le manuel FreedomCAR Electric and hybrid Electric Vehicle Abuse Testing Manual, publié par les laboratoires nationaux Sandia en 2006, fournit un bon cadre pour les essais d'abus des batteries électriques, les conditions d'essai et les données à enregistrer.

La batterie de tests d'abus de FreedomCAR se divise principalement en trois catégories :

▎Essai d'abus mécanique - Inclut l'impact, la broche, la chute, l'immersion, le renversement, la vibration.

▎Test d'abus thermique - Comprend la résistance à la chaleur, le feu de carburant simulé, le stockage à haute température, la charge et la décharge rapides, le choc thermique.

▎Test d'abus électrique - Surcharge, haute tension, court-circuit, surdécharge et inversion de tension, court-circuit partiel.

Le test d'abus des véhicules électriques et hybrides FreedomCAR est basé sur les premières directives de test d'abus développées par l'Advanced Battery Alliance en 1999. De nombreux tests de FreedomCAR sont également inclus dans le test d'abus de l'USCAR.

Les tests d'abus de l'USCAR comprennent

▎Tests d'abus mécaniques - impact, chute, aiguilles, renversement, infiltration et extrusion.

▎Essais d'abus thermiques - rayonnement thermique, résistance à la chaleur, isolation thermique neutre, surchauffe/emballement thermique, choc thermique, essais de stockage à haute température.

▎Test d'abus d'énergie - court-circuit, court-circuit partiel, surcharge, surdécharge, inversion de tension.

Essai de vibration d'un système de stockage d'énergie électrochimique :

Aux États-Unis comme en Europe, les résultats des tests d'abus sont presque tous évalués à l'aide du niveau de danger FreedomCAR ou du niveau de danger EUCAR (voir tableau 1). Les deux systèmes sont identiques. Le système FreedomCAR a été développé sur la base du système EUCAR, de sorte que les deux systèmes partagent essentiellement le même test d'abus et le même système d'évaluation. Dans la pratique, la plupart des fabricants de batteries lithium-ion dans le monde entier reconnaissent ces deux systèmes d'évaluation.

Le niveau du système d'évaluation va de 0 à 7. Le niveau 0 signifie qu'il n'y a pas d'impact sur la cellule ou la batterie, tandis que le niveau 7 est considéré comme provoquant une explosion ou une libération rapide d'énergie du système de batterie. Le résultat idéal est qu'aux niveaux 0, 1 et 2, la protection passive est activée, causant des dommages mineurs mais sans gaz, ni incendie, ni rupture, ni relâchement structurel.

Les niveaux 4 à 7 sont plus difficiles à résoudre et nécessitent généralement des mesures de protection supplémentaires. Lorsque le gaz de la cellule, la perte d'électrolyte de plus de 50%, peut être considéré comme le niveau 4 ; Lorsque testé à la flamme ou à l'incendie de la batterie, peut être considéré comme le niveau 5 ; La rupture de la cellule, mais aucune projection de matériau, peut être considérée comme le niveau 6 ; Il est considéré comme le niveau 7 lorsque la batterie explose, les pièces de la batterie volent vers l'extérieur, et la structure du noyau s'effondre.

En 2014, le Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) a formulé des codes et des normes relatifs à la sécurité des systèmes de stockage d'énergie, qui comprennent toutes les lois, réglementations, lignes directrices, normes et réglementations relatives au développement, aux essais, à la certification et à l'installation de tous les systèmes de stockage d'énergie industriels, de réseau, fixes et domestiques.

L'utilisation des systèmes de stockage d'énergie à base de batteries lithium-ion ne cessant de croître, les lois et règlements doivent s'adapter à la technologie, et cette spécification et cette norme jouent un rôle exemplaire.

Test de batterie pour la certification

Le test de certification a principalement deux objectifs :

①pour prouver que le produit est adapté à un certain domaine, comme le test DNV, principalement pour prouver que le bloc-batterie est adapté au secteur maritime ; le test de batterie de la National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) pour déterminer si les blocs-batteries peuvent être utilisés dans les véhicules à moteur ; le test de batterie des Underwriters Laboratories (UL) pour vérifier que les batteries sont adaptées à l'utilisation dans les appareils ménagers et la vie domestique.

② Assurer la sécurité du personnel et des équipements au cours du transport. Ceci est principalement déterminé par les propositions des Nations Unies sur le transport des marchandises dangereuses, qui sont mises en œuvre par différents pays en conjonction avec leurs propres réglementations en matière de transport.

Normes des Nations unies pour le transport des marchandises dangereuses：

Un manuel d'essai des batteries de transport au lithium-ion a été élaboré après plusieurs accidents majeurs impliquant ces batteries dans les airs. La section 38.3 du manuel des Nations unies sur le transport des marchandises dangereuses indique clairement que les batteries au lithium métal et au lithium ionique doivent passer les tests mentionnés dans le manuel avant d'être transportées. La section 38.3 décrit des méthodes d'essai très détaillées pour les piles au lithium ionique afin de garantir la sécurité du personnel et des autres équipements pendant le transport des piles au lithium ionique.

L'U.S. Transportation Bureau (U.S. Dot) et de nombreux autres pays reconnaissent uniquement l'épreuve de batterie de la certification des Nations Unies pour le transport des marchandises dangereuses. Certains pays exigent toutefois que les piles soient testées dans le pays d'origine avant d'y être fabriquées.

Les manuels des Nations unies varient en ce qui concerne les tests de certification des piles, des modules et des batteries, mais ils contiennent généralement huit éléments.

Les huit tests ne doivent pas tous être effectués, mais doivent être évalués pour déterminer s'ils doivent être réalisés. Par exemple, si le manuel indique que la batterie n'est pas surchargée, le test T7 de surcharge de la batterie peut ne pas être effectué.

Ce test devait être effectué à l'époque, mais la plupart des fabricants de batteries y ont renoncé par la suite. La raison principale est que la plupart des cellules et des petits blocs de batterie ne sont pas installés avec une protection contre la surcharge, et le test de la batterie échouera certainement, mais le système de batterie suivant sera conçu et installé avec une protection appropriée contre la surcharge, de sorte qu'il n'est pas nécessaire d'effectuer un test de surcharge pour la cellule.

De même, pour l'essai des grandes batteries, il n'est pas nécessaire de renouveler la certification après avoir passé avec succès les essais des cellules et des modules. L'essai des batteries coûte entre $10 000 et $15 000 pour les véhicules hybrides rechargeables, les véhicules électriques purs et les batteries de conception fixe, et il est extrêmement coûteux pour les batteries multiples. C'est pourquoi les Nations unies ont proposé d'éliminer la nécessité de limiter le nombre d'ensembles de batteries certifiés après avoir subi avec succès les essais des cellules et des modules.

Le manuel des Nations unies stipule ce qui suit Lorsque la batterie a passé tous les tests et est connectée électriquement, que son poids est supérieur à 500g ou que son énergie est supérieure à 6200Wh, et que les mesures de protection contre les courts-circuits internes, la surcharge, la décharge excessive et la surchauffe sont prises, l'essai de certification de la batterie connectée électriquement ne doit pas être effectué.

Norme de certification du laboratoire des assureurs pour les batteries lithium-ion

Underwrters Laboratory (UL) est très actif dans les tests de certification des batteries lithium-ion. La plupart des efforts de certification et de normalisation d'UL se concentrent sur les applications non énergétiques des batteries lithium-ion, en particulier dans les alimentations mobiles, les appareils électroménagers et les applications industrielles et commerciales.

Bien que UL et la Commission électrotechnique internationale (CEI) aient fait de grands progrès en matière de certification des batteries électriques, les fabricants de batteries étaient réticents à effectuer des tests de certification. Des organisations telles que la Society of Automotive Engineers (SAE), qui effectue des tests approfondis sur les batteries après leur production, sont réticentes à dépenser de l'argent supplémentaire pour répéter ces tests.

À l'heure actuelle, UL collabore toujours avec certaines organisations de véhicules électriques, telles que SAE et IEC, mais leurs représentations de tests de certification se concentrent sur les alimentations électriques mobiles et domestiques. En 2014, UL a développé la norme 2580 Electric Vehicle Battery Application Standard pour simuler les performances des batteries dans des conditions abusives.

Cette norme contient les tests exigés par certains fabricants de véhicules électriques et le manuel des Nations unies, y compris une série de tests électriques, mécaniques et environnementaux. Le test de batterie UL couvre donc une gamme plus large, mais n'a pas été largement accepté par les fabricants.

Voici une liste comparative des termes d'essai UL et des batteries lithium-ion applicables :

▎UL 1642 Élément de batterie au lithium-ion

▎UL 1973 Batteries au lithium-ion pour le rail léger et les applications de conception fixe

▎UL 1989 Batterie de rechange

▎UL 2054 Pile alcaline ou batterie lithium-ion/pile alcaline

▎UL 2271 Batterie d'alimentation pour véhicule électrique léger

▎UL 2580 Batterie d'alimentation

▎ULCSA/EC 60950 (généralement utilisé avec UL, 2054)

▎UL/CSA/IEC 60065 Piles pour les applications d'équipement audio et vidéo

Certification maritime

Les batteries lithium-ion doivent passer les tests de certification DNV-GL, Lloyd's et ABS avant de pouvoir être utilisées dans des applications marines. Ces organismes en sont aux premières étapes de la certification des batteries lithium-ion pour les applications marines. Les trois organismes ont publié une nouvelle série de normes de fiabilité pour les blocs et les systèmes de batteries lithium-ion, mais pas encore pour les niveaux de cellules.

Ce qui précède est l'ensemble des tests de batterie importants. Nous avons également rédigé une série d'articles pratiques sur les batteries, tels que comment traiter une batterie gonfléeJ'espère que vous trouverez ici des informations utiles.