Le test standard de puissance impulsionnelle utilise des points de SOC contrôlés, de brèves impulsions à courant élevé et une mesure précise de la tension afin de déterminer les capacités maximales de décharge et de charge d’une batterie. Une procédure type consiste à charger complètement la batterie lithium-ion à l’aide d’un contrôle CC-CV, à la laisser reposer à une température contrôlée, puis à la tester à des niveaux de SOC compris entre 90 % et 40 %. À chaque niveau, le testeur applique une impulsion de décharge de 10 secondes, une impulsion de charge et une étape de décharge contrôlée, tout en enregistrant le courant et la tension aux bornes à une fréquence d’échantillonnage élevée.
Le test détermine la puissance impulsionnelle maximale et la résistance interne en courant continu dans des conditions reproductibles de SOC et de température. La puissance de crête mesurée doit ensuite être normalisée par la masse ou le volume de la batterie afin de déterminer la densité de puissance, tandis que les limites de tension et de courant définissent la plage de fonctionnement autorisée.
Ce que mesure le test
Puissance maximale de décharge et de charge
Pendant chaque impulsion, la puissance électrique instantanée de la batterie est calculée comme suit :
[ P(t) = U(t) \times I(t) ]
où (U(t)) représente la tension aux bornes en circuit fermé et (I(t)) le courant d’impulsion.
La procédure de référence évalue la puissance maximale à partir de la tension et du courant mesurés 0,1 seconde après le début de l’impulsion. Cette mesure précoce capture une condition de fonctionnement à haute puissance tout en réduisant l’influence des effets thermiques et électrochimiques plus lents.
Résistance interne en courant continu
La réponse à l’impulsion fournit également une estimation de la résistance interne en courant continu :
[ R_{\mathrm{DC}} = \frac{\Delta U}{\Delta I} ]
Une chute de tension plus importante pour une variation de courant donnée indique une résistance interne plus élevée et une capacité de puissance plus faible.
La valeur de la résistance dépend de l’intervalle de mesure. Une résistance calculée immédiatement après le début de l’impulsion sera différente de celle calculée après plusieurs secondes ; le rapport de test doit donc préciser la convention de synchronisation utilisée.
Densité de puissance
La puissance maximale mesurée est convertie en densité de puissance en la divisant par la base physique sélectionnée :
[ \rho_P = \frac{P_{\mathrm{max}}}{m} ]
pour la densité de puissance massique en W/kg, ou :
[ \rho_P = \frac{P_{\mathrm{max}}}{V_{\mathrm{battery}}} ]
pour la densité de puissance volumique en W/L.
Le rapport doit préciser si le calcul utilise la masse et le volume de la cellule, du module ou du pack complet.
Préparation de la batterie
Contrôler l’environnement de test
Effectuez le test à une température ambiante contrôlée, généralement de 20 ± 2 °C pour la procédure décrite dans la référence principale.
La température doit être mesurée et enregistrée, car la résistance et la capacité de puissance des batteries lithium-ion varient considérablement avec la température. La batterie doit être stabilisée thermiquement avant le début du test.
Charger complètement la batterie
Commencez par une charge complète à courant constant/tension constante (CC-CV) en utilisant les limites spécifiées par le fabricant.
La charge doit se poursuivre jusqu’à ce que la condition prescrite d’arrêt sur le courant soit atteinte. Les valeurs applicables de tension, de courant et d’arrêt doivent provenir du fabricant de la batterie ou de la norme de test applicable.
Prévoir un repos initial
Après la charge, laissez la batterie reposer pendant une heure.
Cette période de repos permet à la tension de se détendre et établit une condition de départ reproductible avant la première séquence d’impulsions.
Exécution de la séquence de SOC
Sélectionner les niveaux de SOC cibles
La procédure principale évalue la batterie à plusieurs niveaux de SOC, en progressant d’environ 90 % de SOC jusqu’à 40 % de SOC.
L’intervalle exact de SOC doit être défini avant le test. Le SOC doit être calculé selon une méthode cohérente, normalement fondée sur un comptage de coulombs étalonné avec une correction appropriée de la capacité utilisable de la batterie.
Appliquer l’impulsion de décharge
À chaque SOC cible, appliquez une impulsion de décharge à courant constant et à haut débit pendant 10 secondes.
La référence principale indique un taux de décharge représentatif de 6C. Le courant réel doit être sélectionné conformément aux spécifications du test, aux limites de la batterie et aux capacités de l’équipement de test.
Enregistrez :
- Courant d’impulsion
- Tension aux bornes
- Temps
- Température de la batterie
- SOC
- Toute réponse de protection ou défaillance
L’impulsion doit être interrompue si la batterie atteint sa limite spécifiée de tension minimale, de courant, de température ou de sécurité.
Repos après la décharge
Laissez la batterie reposer pendant 40 secondes après l’impulsion de décharge.
Cet intervalle fournit une période de récupération définie avant l’impulsion de charge et aide à distinguer la réponse immédiate à l’impulsion du comportement de relaxation ultérieur.
Appliquer l’impulsion de charge
Appliquez une impulsion de charge à courant constant pendant 10 secondes. La référence principale indique un taux de charge représentatif de 3C.
L’impulsion de charge doit rester dans les limites maximales de tension, de courant et de température spécifiées par le fabricant. La polarité de charge doit être clairement documentée, car certaines normes de test utilisent une convention de signe selon laquelle les courants de décharge et de charge ont des signes opposés.
Décharger au courant d’étape
Après l’impulsion de charge, déchargez la batterie à 1C pendant 330 secondes.
Cette décharge contrôlée amène la batterie vers le point de test de SOC suivant. La variation réelle du SOC doit être vérifiée à partir des données enregistrées de courant et de temps, plutôt que d’être déduite uniquement des calculs nominaux fondés sur le taux C.
Repos avant le point de SOC suivant
Après la décharge de 330 secondes, laissez la batterie reposer pendant une heure avant de commencer l’étape de SOC suivante.
Répétez la séquence d’impulsions jusqu’à ce que tous les niveaux de SOC spécifiés aient été testés.
Détermination de la puissance impulsionnelle maximale
Utiliser les limites de tension comme contraintes
Un courant d’impulsion n’est valide que si la tension résultante aux bornes reste dans les limites de fonctionnement autorisées.
En décharge, le courant maximal autorisé est limité par la tension minimale de décharge (U_{\min}). En charge, il est limité par la tension maximale de charge (U_{\max}).
Un calcul simplifié est le suivant :
[ P_{\max}^{\mathrm{dis}} = U_{\min} \times I_{\max}^{\mathrm{dis}} ]
[ P_{\max}^{\mathrm{chr}} = U_{\max} \times I_{\max}^{\mathrm{chr}} ]
Ces valeurs représentent la puissance maximale autorisée des impulsions de décharge et de charge dans les conditions de test définies.
Utiliser des courants d’impulsion progressifs lorsque cela est nécessaire
Certaines procédures, notamment l’approche JEVS D713-2003 décrite dans la référence complémentaire, appliquent une série d’impulsions de 10 secondes à des taux C progressivement croissants.
Une séquence type peut inclure des périodes de repos à courant nul et des impulsions à des amplitudes de charge et de décharge croissantes, telles que 1C, 2C et 3C. La tension aux bornes mesurée à la fin de chaque impulsion est reportée en fonction du courant afin d’établir une relation tension-courant.
Le courant autorisé est ensuite déterminé en prolongeant ou en ajustant cette relation par rapport aux limites de tension spécifiées.
Mesurer au point temporel défini
Pour la procédure principale, calculez la puissance maximale rapportée en utilisant la tension en circuit fermé et le courant mesurés 0,1 seconde après le début de l’impulsion.
Pour une analyse de type JEVS, utilisez la tension à la fin de l’impulsion définie de 10 secondes. Il s’agit de conventions de mesure différentes qui ne doivent pas être mélangées lors de la comparaison des résultats.
Équipements et données de test requis
Utiliser un cycler de batterie programmable
Le test nécessite un système de test de batterie programmable capable d’assurer :
- Une charge CC-CV
- Une décharge par impulsions à courant élevé
- Une charge par impulsions à courant élevé
- Des périodes de repos précisément temporisées
- Une séquence fondée sur le SOC
- Un échantillonnage rapide de la tension et du courant
- La surveillance de la température
- L’arrêt automatique en cas de dépassement des limites de sécurité
Le système doit être dimensionné pour la tension, le courant, la puissance et l’énergie stockée maximaux de la batterie.
Échantillonner suffisamment rapidement
La réponse initiale de la tension se produit rapidement ; un enregistrement lent des données peut donc manquer la chute de tension pertinente.
La fréquence d’échantillonnage, le filtrage, la synchronisation, la bande passante des capteurs et la latence de mesure doivent être documentés. Les voies de courant et de tension doivent être alignées temporellement lors du calcul de la puissance ou de la résistance interne.
Surveiller l’ensemble de la batterie
Pour les batteries de véhicules, le test peut porter sur une cellule, un module ou un pack complet. Au niveau du module et du pack, la procédure doit également prendre en compte :
- L’intervention du système de gestion de la batterie
- Le comportement des contacteurs
- Le déséquilibre entre les cellules
- Le fonctionnement du système de refroidissement
- Les limites de courant du pack
- La surveillance de l’isolement
- Les protections contre les surtensions et les sous-tensions
Un résultat au niveau du pack n’est pas nécessairement prévisible à partir du résultat d’une seule cellule, car la cellule ou le module le plus faible peut déterminer la limite d’impulsion utilisable.
Comprendre les compromis
La puissance maximale n’est pas la puissance continue
Une valeur nominale pour une impulsion de 10 secondes décrit les performances de courte durée. Elle ne définit pas la puissance que la batterie peut fournir en continu sans surchauffe ni dépassement des limites thermiques.
La capacité de puissance continue nécessite un test distinct, avec une stabilisation thermique et une durée appropriées.
Des taux C plus élevés augmentent les contraintes
Les impulsions à haut débit entraînent une chute de tension plus importante, une génération de chaleur accrue et des contraintes électrochimiques plus élevées.
Des tests répétés peuvent modifier l’état de la batterie, en particulier lorsque celle-ci est soumise à des taux de charge élevés ou fonctionne à proximité de ses limites de tension et de température. L’ordre des tests, le nombre de cycles et le préconditionnement doivent donc être enregistrés.
Le SOC seul ne définit pas les performances
Un même SOC peut produire des résultats différents selon la température, le vieillissement, l’historique du courant, le temps de repos et la méthode de mesure de la capacité.
Les comparaisons ne sont pertinentes que lorsque ces conditions sont contrôlées ou explicitement indiquées.
La densité de puissance dépend de la limite de mesure
Une valeur en W/kg au niveau de la cellule ne doit pas être comparée directement à une valeur en W/kg au niveau du pack, sauf si la limite de masse est identique.
Le rapport doit préciser si la masse des éléments de conditionnement inactifs, du matériel de refroidissement, des barres omnibus, de l’électronique et du boîtier est incluse.
Les normes utilisent des conventions différentes
La procédure principale utilise une séquence définie de décharge-charge-décharge et évalue la puissance à un instant précoce spécifié de l’impulsion. Les tests de type JEVS peuvent utiliser plusieurs impulsions progressives et la tension mesurée à la fin de chaque impulsion de 10 secondes.
Ces méthodes peuvent produire des valeurs différentes de puissance et de résistance. La norme applicable et le moment du calcul doivent donc toujours être indiqués.
Choisir la méthode adaptée à votre objectif
Utilisez la méthode de test qui correspond à la performance que vous devez démontrer.
- Si votre objectif principal est l’accélération du véhicule ou le freinage régénératif : testez les impulsions de décharge et de charge aux conditions pertinentes de SOC et de température, en utilisant les limites réelles de tension et de courant de la batterie du véhicule.
- Si votre objectif principal est de comparer des cellules ou des modules : maintenez une température, une définition du SOC, une temporisation des impulsions, des périodes de repos et des limites de masse identiques pour tous les échantillons.
- Si votre objectif principal est de déterminer la résistance interne en courant continu : enregistrez la tension et le courant synchronisés à un instant clairement défini et indiquez l’intervalle de calcul.
- Si votre objectif principal est une comparaison selon une norme officielle : suivez une procédure normative complète sans combiner ses règles de temporisation, de séquence d’impulsions ou de limites de tension avec celles d’une autre méthode.
- Si votre objectif principal est la densité de puissance : indiquez la puissance maximale ainsi que la base exacte de masse ou de volume utilisée pour la normalisation.
Un résultat fiable de densité de puissance impulsionnelle est défini autant par ses conditions de test et ses conventions de calcul que par la puissance maximale brute de la batterie.
Tableau récapitulatif :
| Étape | Description | Paramètres clés |
|---|---|---|
| 1. Environnement | Contrôler la température à 20 ± 2 °C | Température, durée de stabilisation |
| 2. Charge | Charge CC-CV complète | Tension, courant, condition d’arrêt |
| 3. Repos | Prévoir un repos d’une heure | Durée de repos |
| 4. Séquence de SOC | Tester les niveaux de SOC de 90 % à 40 % | Points de SOC, intervalles |
| 5. Impulsion de décharge | 10 s à 6C (valeur représentative) | Courant, tension, temps, température |
| 6. Repos | 40 s après la décharge | Durée de repos |
| 7. Impulsion de charge | 10 s à 3C (valeur représentative) | Courant, tension, temps, température |
| 8. Étape de décharge | 1C pendant 330 secondes | Courant, temps |
| 9. Repos | Repos d’une heure avant le SOC suivant | Durée de repos |
| 10. Analyse des données | Calculer la puissance maximale et la résistance à 0,1 s | Tension, courant, temps, résistance |
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