La résistance interne est un paramètre clé qui détermine la capacité de puissance, l'efficacité énergétique et la production de chaleur des batteries au lithium-ion. C'est également un indicateur important de l'état de santé (SoH) des batteries, qui affecte la conception des systèmes d'accélération, de recharge rapide et de refroidissement des véhicules électriques (EV). En outre, afin d'éviter l'utilisation abusive des batteries et d'améliorer la sécurité et leur durée de vie, le système de gestion des batteries (BMS) doit établir un modèle de résistance interne pour gérer avec précision la capacité de puissance. Par conséquent, la recherche sur la résistance interne et la capacité de puissance joue un rôle important dans le développement des cellules de batterie de la prochaine génération et l'optimisation des systèmes de batterie. Cependant, alors que la tendance des fabricants est d'adopter une résistance interne CC ultra-faible et d'agrandir les conceptions à cellule unique afin d'améliorer la densité de puissance des véhicules électriques, l'équipement général est de plus en plus incapable de fournir le courant de test requis de milliers d'ampères, ce qui laisse généralement les ingénieurs de test avec un choix limité d'équipements coûteux.

De nos jours, la technologie de mesure de la résistance interne des batteries est principalement divisée en deux types : 1) La résistance CC est principalement déterminée en utilisant un courant pulsé (par paliers) pour mesurer la différence de potentiel, qui est ensuite utilisée pour calculer la valeur de la résistance interne ; 2) La résistance CA est déterminée par spectroscopie d'impédance électrochimique (SIE) en utilisant la technologie du spectre de perturbation. En raison des propriétés électrochimiques complexes des batteries, la résistance CC ne peut être comparée directement à l'impédance CA. Les deux techniques de mesure sont complémentaires en raison de la différence dans les domaines temporels des analyses, et sont généralement sélectionnées en fonction des conditions d'application.

En termes de conception de VE et de systèmes de stockage d'énergie, le courant pulsé est souvent utilisé pour tester la résistance interne CC. Outre la rapidité du test, les recherches ont montré que l'amplitude du courant affecte également la résistance interne de la batterie [1], et que le test par impulsions à courant élevé se rapproche davantage des applications de charge réelles. Les méthodes standard internationales pour le test de courant pulsé sont la méthode de Palier de courant VDA [2] et le test Hybrid Pulse Power Characterization (HPPC) [3] [4], avec des largeurs d'impulsion entre 100 ms-30s.

Les chutes de tension sont impactées par différents phénomènes liés à la résistance interne, en fonction de leurs échelles de temps de mesure respectives : résistance ohmique de la chute de tension transitoire, capacité équivalente et résistance de transfert de charge électrique de l'interface pendant les premières secondes de la chute de tension, et résistance de polarisation de la réponse plus lente due à la diffusion des ions (Figure 1). La résistance totale est calculée à partir des résultats du test d'impulsion. Il convient de noter qu'une largeur d'impulsion plus importante peut modifier l'état de charge (SOC) et provoquer des chutes de tension supplémentaires entraînant des déviations dans la mesure de la résistance interne. Inversement, une amplitude d'impulsion trop faible entraînera une augmentation significative de l'incertitude de mesure. L'erreur de mesure peut également être causée par des erreurs de mesure de courant/tension et des erreurs de contrôle de la température.

(Figure 1) Relation entre la variation de tension du test d'impulsion DA et le circuit équivalent de la résistance interne de la batterie.

Pendant les tests USABC HPPC, la résistance interne et les caractéristiques de puissance de la batterie sont calculées en soumettant les cellules de la batterie à 10~30 s de décharge par impulsion maximale et 10 s de recharge par impulsion maximale sous différents SOC dans le but de mesurer le changement de potentiel électrique. Grâce à ce principe, si une cellule de batterie au lithium de 60 Ah doit être testée 10 fois pour son courant de travail pulsé (taux de 10C), il était nécessaire d’acheter un équipement de recharge et de décharge de 600 A. Mais ce n'est plus le cas, car Chroma offre désormais une solution de test de courant pulsé de 200 % !

La capacité de courant d'un seul canal du Chroma 17010H est de 300 A, qui peut être amplifiée grâce au Super Mode pour produire 200 % de courant (600 A) en 30 secondes, ce qui est particulièrement adapté aux tests de performance en courant pulsé. La nouvelle conception est axée sur les applications de batterie et optimise le mode de sortie de puissance, ce qui permet de réduire l'encombrement de 50 % et le prix de 30 % (figure 1).

La clé de la capacité de courant d'impulsion élevé conçue par Chroma est le contrôle de la température du circuit d'alimentation. Premièrement, l'architecture de récupération d'énergie à haut rendement de conversion du 17010H réduit considérablement le réchauffement des composants pendant la recharge et la décharge. Ensuite, elle augmente le courant de fonctionnement en optimisant l'intégration des modules de puissance et la sélection des composants. Enfin, la conception du flux thermique est appliquée pour parvenir à contrôler la température. Pour la mesure, une structure distribuée de transformateur de courant de haute précision qui assure la précision du courant est complétée par une disposition de circuit de zone froide et chaude pour réduire la dérive de température, formant ensemble un système intégré de test de batterie qui atteint une sortie de courant pulsé de 200 %.

(Figure 2) L'avantage du mode de courant pulsé à 200 %.

Les principaux avantages du Chroma 17010H :

1. 1. La reproductibilité élevée des mesures permet aux testeurs d’économiser du temps considérable sur le jugement des tendances et l'analyse des caractéristiques.
2. Les capacités de zéro-crossover et de réponse rapide au courant fournissent des résultats de test qui correspondent étroitement aux applications réelles.
3. La conception des plages de courant multiples améliore la précision avec les petits courants, avec une plage de courant minimale de 1:10 et des plages adaptées aux tests de performance à haut et bas débit.
4. Efficacité de recyclage de l'énergie de décharge de 75 %, ce qui permet non seulement d'économiser sur la puissance de fonctionnement et de réduire la chaleur perdue par la climatisation, mais aussi de réduire les besoins de distribution électrique du laboratoire.
5. Niveau indépendant protection de niveau 2 V pour renforcer la sécurité des tests à courant élevé.

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References

• Noshin Omar, Assessment of rechargeable energy storage systems for plug-in hybrid electric vehicles Ph.D. thesis, Vrije Universiteit Brussel, Brussel, Belgium, (2012).
• VDA-initiative energy storage system for HEV, test specification for Li-ion battery systems for hybrid and electric vehicles; VDA: Frankfurt, Germany, 2007.
• Battery Test Manual for Electric Vehicles, U.S. Department of Energy Vehicle Technologies Program, Revision 3.1, 2020.
• Battery Test Manual for Plug In Hybrid Vehicle, U.S. Department of Energy Vehicle Technologies Program, Revision 3, 2014.
• Hans-Georg Schweiger, Comparison of Several Methods for Determining the Internal Resistance of Lithium Ion Cells, Berlin, Germany, (2010)
• Anup Barai, Scientific reports of A study of the influence of measurement timescale on internal resistance characterization methodologies for lithium-ion cells, (2017)