Le test de puissance de crête USABC mesure la capacité de décharge d'une cellule sur 30 secondes à des profondeurs de décharge (DOD) définies. La cellule est testée par incréments de 10 % de DOD, de 0 % à 90 %, en utilisant une décharge de base suivie d'une impulsion à courant élevé. À chaque DOD, la résistance est calculée à partir des variations de tension et de courant pendant l'impulsion, puis utilisée avec la tension minimale admissible pour estimer la puissance de crête.

Point clé : La puissance de crête USABC est dérivée en modélisant la tension aux bornes de la cellule comme une chute de tension IR à partir d'une tension sans chute ohmique (IR-free). Le courant d'impulsion admissible est le courant qui réduit la tension de la cellule à sa limite de fonctionnement minimale, et la puissance de crête est le produit de ce courant et de la tension limite.

Comment le test USABC est effectué

Test sur des points de DOD définis

Le test évalue la cellule à 0 %, 10 %, 20 % et jusqu'à 90 % de DOD.

Le DOD est utilisé ici comme coordonnée de test : une augmentation du DOD signifie qu'une part progressivement plus importante de la capacité de décharge disponible de la cellule a été extraite.

Application d'une décharge de base

À chaque point de DOD, la cellule est déchargée à un courant de base défini pendant 30 secondes.

Cela permet d'établir la tension et l'état de fonctionnement de la cellule avant l'impulsion de haute puissance.

Application de l'impulsion à courant élevé

Le courant de base est ensuite remplacé par une impulsion de décharge à courant élevé durant 30 secondes.

La tension et le courant de la cellule sont enregistrés pendant l'impulsion, en particulier à environ 1 seconde et 30 secondes après le début de l'impulsion.

Passage au point de DOD suivant

Après l'impulsion, la cellule est à nouveau déchargée au courant de base jusqu'à ce que le DOD ait augmenté de 10 % supplémentaires.

Cette séquence est répétée jusqu'à ce que la plage de DOD requise ait été évaluée.

Limites de tension qui contraignent le test

Maintenir la tension minimale admissible

La tension de la cellule doit rester au-dessus du seuil de base applicable pendant le test.

Le seuil est le plus élevé parmi :

• La tension de coupure spécifiée par le fabricant.
• Deux tiers de la tension en circuit ouvert à 80 % de DOD, tel que spécifié par la procédure de test.

Cette limite empêche la capacité de puissance calculée d'être basée sur un fonctionnement en dehors de la plage de tension utilisable de la cellule.

Pourquoi la limite de tension est importante

La puissance de crête n'est pas simplement la puissance maximale que la cellule peut produire avant d'être endommagée. C'est la puissance disponible tout en respectant les contraintes de tension et de fonctionnement définies de la cellule.

Dépasser ces limites peut provoquer une polarisation excessive, une dégradation ou des dommages irréversibles aux composants internes.

Comment la résistance interne est dérivée

Mesurer les variations de tension et de courant

La résistance à l'impulsion est calculée à partir des variations de tension et de courant entre les points de 1 seconde et de 30 secondes de l'impulsion à courant élevé :

[ R=\frac{\Delta U}{\Delta I} ]

où :

• (R) est la résistance interne calculée.
• (\Delta U) est la variation de tension pendant l'intervalle d'impulsion sélectionné.
• (\Delta I) est la variation de courant sur le même intervalle.

Sous forme développée :

[ R=\frac{U_{1s}-U_{30s}}{I_{30s}-I_{1s}} ]

pour une convention de signe de courant de décharge conventionnelle. Si le courant de décharge est représenté comme négatif, les signes changent, mais la résistance rapportée est normalement exprimée comme une valeur positive.

Ce que représente cette résistance

Il s'agit d'une résistance d'impulsion effective, et non nécessairement d'une résistance ohmique pure mesurée indépendamment de tous les effets électrochimiques.

Comme le calcul utilise des points séparés de 29 secondes, le résultat peut inclure des contributions de la résistance ohmique, des effets de transfert de charge et d'autres processus de polarisation qui évoluent pendant l'impulsion.

Comment la tension sans chute ohmique (IR-free) est dérivée

Supprimer la chute résistive modélisée

Le test définit une tension sans chute ohmique (IR-free) comme :

[ U_{\mathrm{IRFree}}=U-IR ]

où :

• (U_{\mathrm{IRFree}}) est la tension estimée avant la chute résistive modélisée.
• (U) est la tension aux bornes mesurée.
• (I) est le courant pertinent.
• (R) est la résistance d'impulsion calculée.

Cela fournit une représentation simplifiée de type Thévenin de la cellule : une source de tension sans chute ohmique en série avec une résistance effective.

Interpréter le résultat avec prudence

La tension IR-free est une grandeur de modélisation calculée. Elle ne doit pas être automatiquement interprétée comme la véritable tension en circuit ouvert de la cellule, car la tension mesurée peut également contenir des effets de polarisation électrochimique et de récupération dynamique.

Son objectif est de soutenir le calcul de la puissance de crête dans les conditions de test sélectionnées.

Comment la puissance de crête est dérivée

Déterminer le courant d'impulsion admissible

À la tension de fonctionnement minimale (U_{\min}), le modèle de cellule simplifié est :

[ U_{\min}=U_{\mathrm{IRFree}}-IR ]

La résolution pour le courant de décharge maximal admissible donne :

[ I_{\max}=\frac{U_{\mathrm{IRFree}}-U_{\min}}{R} ]

Il s'agit du courant auquel la tension aux bornes modélisée atteint la valeur minimale autorisée.

Calculer la puissance à la limite de tension

La puissance de décharge de crête est alors :

[ P_{\mathrm{peak}}=U_{\min}I_{\max} ]

En substituant l'expression du courant :

[ P_{\mathrm{peak}}

\frac{U_{\min}\left(U_{\mathrm{IRFree}}-U_{\min}\right)}{R} ]

La référence principale exprime cela en utilisant une convention de courant de décharge négatif :

[ P_{\mathrm{peak}}

\frac{-U_{\min}\left(U_{\mathrm{IRFree}}-U_{\min}\right)}{R} ]

Le signe négatif est une conséquence comptable de la définition du courant de décharge comme négatif. La capacité de puissance rapportée est normalement exprimée comme une valeur positive.

Pourquoi la résistance affecte fortement la puissance

L'équation montre que, à conditions de tension comparables, la puissance de crête est approximativement inversement proportionnelle à la résistance :

[ P_{\mathrm{peak}}\propto \frac{1}{R} ]

Une cellule à plus faible résistance peut fournir plus de courant avant d'atteindre (U_{\min}). Une cellule à plus forte résistance subit une chute de tension plus importante pendant la même impulsion et atteint donc la limite de tension plus rapidement.

Ce que représente le résultat du test

Produire un profil de puissance dépendant du DOD

Le test génère une valeur de puissance de crête à chaque point de DOD.

Le résultat n'est donc pas une évaluation universelle de la cellule. C'est une carte de la capacité de puissance en fonction du DOD, et elle peut être répétée à différentes températures, conditions de vieillissement ou courants de test.

Soutenir la conception du pack

Les résultats aident les ingénieurs à déterminer combien de cellules sont nécessaires en série et en parallèle pour répondre aux exigences de puissance d'un système tout en restant dans les limites de tension et de courant.

Les données de résistance et de tension au niveau de la cellule sont particulièrement importantes car les interconnexions du pack, les barres omnibus, les conditions de refroidissement, la résistance de contact et le déséquilibre des cellules ajoutent des contraintes supplémentaires.

Soutenir la vérification R&D

La répétition du test pendant le développement ou les tests de durée de vie peut révéler des changements dans :

• La résistance à l'impulsion.
• La réponse en tension.
• La puissance de crête disponible.
• La performance en fonction du DOD et de la température.

La croissance de la résistance réduit généralement la capacité de puissance impulsionnelle, bien que les changements de puissance dépendent également du comportement de la tension et de la polarisation de la cellule.

Comprendre les compromis

La résistance n'est pas la seule variable de performance

Bien qu'une résistance plus faible améliore généralement la puissance impulsionnelle, la puissance de crête dépend également de la tension IR-free et de la tension de fonctionnement minimale.

Une cellule avec une faible résistance mais une tension utilisable insuffisante peut ne pas surpasser une cellule à tension plus élevée dans une condition de fonctionnement particulière.

La valeur de résistance dépend de la définition du test

La résistance varie avec la température, le DOD, la durée de l'impulsion, le niveau de courant, l'historique de repos et les points temporels sélectionnés pour le calcul.

Par conséquent, une valeur de résistance issue de cette procédure USABC ne doit pas être comparée directement à une valeur obtenue à partir d'une durée d'impulsion ou d'une méthode de mesure différente sans tenir compte de ces différences.

La puissance de la cellule n'est pas la puissance du pack

Un résultat de puissance de crête au niveau de la cellule n'est pas automatiquement égal à la puissance disponible d'un pack de batteries.

Les limites au niveau du pack peuvent provenir de la dispersion de tension des cellules en série, du déséquilibre des groupes en parallèle, des limites thermiques, de la résistance des collecteurs de courant et des barres omnibus, des contraintes du système de gestion de batterie (BMS) et des limites de l'onduleur.

Évitez de traiter la puissance de crête comme une puissance continue

Le résultat USABC décrit une capacité d'impulsion de 30 secondes définie dans des conditions spécifiées.

Il ne doit pas être utilisé comme une valeur nominale de puissance continue à moins qu'une analyse thermique et électrique distincte ne soutienne cette conclusion.

Respectez les limites de tension et de courant

Tester au-delà des limites de tension ou de puissance spécifiées peut accélérer la dégradation ou causer des dommages graves aux électrodes, au séparateur, à l'électrolyte, aux collecteurs de courant ou à d'autres composants de la cellule.

L'équipement de test de batterie doit donc contrôler précisément le courant, la tension, le timing, la température et les coupures de sécurité.

Faire le bon choix pour votre objectif

L'interprétation la plus utile dépend de ce que vous avez besoin que le résultat soutienne.

• Si votre objectif principal est la comparaison de cellules : Comparez les cellules uniquement lorsque le DOD, la température, la durée de l'impulsion, la convention de courant, les limites de tension et l'historique des tests sont équivalents.
• Si votre objectif principal est le dimensionnement du pack : Utilisez les résultats de puissance et de résistance spécifiques au DOD avec la configuration série/parallèle, les limites thermiques, le déséquilibre et la résistance parasite au niveau du pack.
• Si votre objectif principal est l'analyse du vieillissement : Suivez la croissance de la résistance et le déclin de la puissance de crête dans des conditions de DOD et de température constantes sur la durée de vie du cycle.
• Si votre objectif principal est la validation des tests : Vérifiez les traces de courant et de tension, confirmez les points d'échantillonnage de 1 seconde et 30 secondes, et documentez la convention de signe utilisée dans les équations.

Une évaluation solide de la puissance de crête USABC combine des tests d'impulsion disciplinés avec des définitions claires de la résistance, des limites de tension et des conventions de signe.

Tableau récapitulatif :

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