Les mesures clés sont la capacité, la résistance, l'autodécharge, la tension, le courant, l'impédance et la température. Ensemble, ces paramètres indiquent quelle quantité d'énergie une cellule peut encore fournir, avec quelle efficacité elle délivre cette puissance, et si la dégradation s'accélère. Les tests doivent également enregistrer les conditions dans lesquelles chaque mesure a été effectuée, notamment le taux de charge/décharge, la température, la tension de coupure et le nombre de cycles.
L'état de santé (SOH) ne peut pas être déterminé de manière fiable à partir d'une seule lecture. Les indicateurs les plus importants sont la capacité utilisable par rapport à la capacité nominale, la résistance interne par rapport à sa ligne de base, et le taux d'autodécharge, étayés par des données de tension, de température, d'impédance et de durée de vie en cycles.
Ce qui doit être mesuré lors du test des cellules
Capacité de charge utilisable
Mesurez la capacité en ampères-heures délivrée par la cellule lors d'une décharge contrôlée et comparez-la à sa capacité nominale ou initiale.
[ \text{Conservation de la capacité} = \frac{\text{Capacité mesurée}}{\text{Capacité de référence}} \times 100% ]
La conservation de la capacité est l'un des indicateurs de SOH les plus clairs. Une diminution rapide de la capacité effective indique une perte de matière active, une augmentation de la polarisation ou d'autres mécanismes de dégradation.
Tension de la cellule
Enregistrez la tension de la cellule en continu pendant la charge, la décharge, les périodes de repos et les événements de défaillance.
Les données de tension révèlent :
- La tension en circuit ouvert et l'état de charge approximatif
- Le comportement de la tension en charge et en décharge
- La chute de tension sous charge
- Les conditions de surtension ou de sous-tension
- Le déséquilibre entre les cellules dans une série
Le profil de tension doit être interprété conjointement avec le courant et la température, car des lectures de tension identiques peuvent représenter des conditions différentes sous des charges différentes.
Courant de charge et de décharge
Mesurez et enregistrez le courant réel entrant et sortant de la cellule.
Le courant est nécessaire pour un comptage précis des ampères-heures et pour le calcul de la puissance :
[ P = V \times I ]
Il établit également le taux C appliqué, qui affecte fortement la capacité mesurée, la chute de tension, l'échauffement et la capacité de puissance apparente.
Résistance interne et impédance CC
Mesurez la résistance interne, de préférence dans des conditions d'impulsion de courant définies, pour déterminer de combien la tension de la cellule chute lorsqu'un courant est appliqué.
L'augmentation de la résistance provoque généralement :
- Une chute de tension plus importante sous charge
- Une réduction de la capacité de puissance
- Une génération de chaleur accrue
- Une coupure plus précoce lors d'un fonctionnement à courant élevé
Le résultat doit être rapporté avec sa température de test, son SOC, la durée de l'impulsion et le courant, car la résistance dépend fortement des conditions.
Impédance électrochimique
Utilisez la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) lorsque des informations de diagnostic plus approfondies sont nécessaires.
Les mesures d'impédance peuvent aider à séparer les différentes contributions au comportement de la cellule, telles que la résistance ohmique, les limitations de transfert de charge et les effets liés à la diffusion. Répéter les mesures d'impédance au cours de la durée de vie en cycles peut révéler des tendances de dégradation qui pourraient ne pas encore être évidentes par la seule capacité.
Courant ou taux d'autodécharge
Mesurez la perte de charge pendant une période de repos contrôlée avec la cellule isolée électriquement des charges externes.
Une autodécharge élevée peut indiquer une fuite interne, une contamination, des dommages au séparateur ou d'autres conditions anormales. Elle est particulièrement utile pour identifier les cellules qui semblent normales lors d'un court test de capacité mais qui ne sont pas adaptées au stockage à long terme ou au fonctionnement en série.
Température
Mesurez la température de la cellule ou de sa surface, et enregistrez le profil de température tout au long du test.
La température affecte la capacité, la résistance, la tension, le taux de vieillissement et la sécurité. Enregistrez à la fois la température maximale et le temps passé à des températures élevées, ainsi que l'exposition à une tension et un courant élevés.
Pour des comparaisons significatives, la température de test doit être contrôlée et documentée plutôt que traitée comme une donnée accessoire.
Mesures de performance qui complètent l'évaluation
Énergie délivrée
Calculez l'énergie délivrée en intégrant la tension sur la capacité déchargée :
[ E = \int V , dQ ]
La conservation de l'énergie peut diminuer différemment de la capacité en ampères-heures car le comportement de la tension et la résistance changent également.
Capacité de puissance
Évaluez la capacité de la cellule à fournir de la puissance lors d'impulsions de charge définies ou de conditions de décharge.
La capacité de puissance dépend de la tension, du courant, de la résistance interne, du SOC et de la température. Une cellule peut conserver une capacité substantielle tout en perdant des performances de haute puissance utiles parce que sa résistance a augmenté.
Efficacité coulombienne
Comparez la charge restituée à la charge fournie sur un cycle complet :
[ \text{Efficacité coulombienne} = \frac{\text{Capacité de décharge}}{\text{Capacité de charge}} \times 100% ]
De petites inefficacités accumulées sur de nombreux cycles peuvent aider à identifier les réactions parasitaires en cours et à prédire la perte de capacité à long terme.
Nombre de cycles et taux de dégradation
Enregistrez le numéro de cycle et suivez la capacité, la résistance, l'énergie et la température par rapport à la durée de vie en cycles.
La valeur absolue à un moment donné compte, mais la tendance est souvent plus informative. Une capacité en déclin rapide ou une résistance en forte augmentation peut signaler une fin de vie imminente même si la cellule n'a pas encore franchi une limite fixe.
Tension d'équilibre et surtension
Après avoir laissé la cellule au repos, mesurez sa tension d'équilibre ou en circuit ouvert. Comparez-la avec la tension sous charge pour évaluer la polarisation et la surtension.
Ces mesures soutiennent la modélisation du SOC et aident à distinguer le comportement thermodynamique de la tension des pertes causées par la résistance et la cinétique électrochimique.
Ce qu'il faut enregistrer pour les cellules connectées en série
Tensions individuelles des cellules
Pour une chaîne de cellules ou un bloc-batterie, mesurez chaque cellule plutôt que seulement la tension totale du bloc.
Les tensions minimale et maximale des cellules révèlent le déséquilibre, identifient la cellule la plus faible et montrent si l'équilibrage est efficace. La tension totale peut sembler acceptable alors qu'une cellule approche d'une limite dangereuse.
Déséquilibre de capacité des cellules
Comparez la capacité utilisable des cellules au sein de la chaîne.
La cellule la plus faible peut déterminer la capacité utilisable et la capacité de puissance de toute la batterie, surtout lorsque le système de gestion de batterie limite le fonctionnement en fonction de la première cellule atteignant un seuil de tension.
Résistance cumulative
Suivez à la fois la résistance individuelle des cellules et la résistance combinée de la chaîne.
Cela permet de distinguer une cellule faible de la résistance ajoutée par les interconnexions, les barres omnibus, les bornes, les contacteurs ou d'autres composants du système.
Distribution de la température de la chaîne
Mesurez la température à plusieurs endroits pertinents lorsque cela est possible.
Un gradient de température peut identifier un partage de courant inégal, une mauvaise conception thermique, une résistance localisée ou une cellule subissant une dégradation anormale.
Données de gestion de batterie et de défaut
Le cas échéant, enregistrez :
- La tension et le courant totaux de la batterie
- Les tensions minimale et maximale des cellules
- Les mesures de température
- Les limites de courant de charge et de décharge
- Les drapeaux d'avertissement et de défaut
- L'état d'équilibrage des cellules
- Les données CAN, SMBus ou I²C pertinentes
Ces informations aident à reconstruire le comportement avant une défaillance et à relier les mesures de laboratoire aux conditions de fonctionnement réelles.
Comment rendre les mesures fiables
Contrôlez les conditions de test
La capacité et la résistance ne sont pas des constantes intrinsèques. Elles varient avec la température, le SOC, le taux de courant, le temps de repos, la tension de coupure et la méthode de mesure.
Utilisez les mêmes conditions définies lors de la comparaison d'une cellule avec sa ligne de base ou lors de l'évaluation de la dégradation au fil du temps.
Établissez une ligne de base
Mesurez une cellule neuve ou connue comme étant en bon état avant le début des tests de vieillissement.
La capacité, la résistance, l'impédance, l'autodécharge, le comportement de la tension et la réponse en température de base fournissent la référence nécessaire pour calculer des changements significatifs.
Vérifiez le système de test
Le système de mesure doit être évalué pour son incertitude, sa répétabilité, sa reproductibilité et sa linéarité sur toute sa plage de fonctionnement.
Une mauvaise fidélité de mesure peut faire passer la dérive de l'instrumentation pour une dégradation de la batterie. Ceci est particulièrement important lors de la détection de petits changements dans la résistance, l'autodécharge ou l'efficacité coulombienne.
Enregistrez les données en continu
Les mesures instantanées sont utiles, mais l'enregistrement continu fournit le contexte nécessaire pour les interpréter.
Au minimum, synchronisez la tension, le courant, la température, le nombre de cycles, l'état de fonctionnement et les informations de défaut afin que le comportement anormal puisse être retracé à un événement ou une condition de fonctionnement spécifique.
Comprendre les compromis
La capacité seule est insuffisante
Une cellule peut conserver une grande partie de sa capacité initiale alors que sa résistance interne augmente considérablement.
Une telle cellule peut encore stocker de l'énergie mais ne pas répondre à la demande de puissance requise en raison de la chute de tension et de la génération de chaleur.
La résistance dépend fortement des conditions
La résistance mesurée à différentes températures, niveaux de SOC, durées d'impulsion ou amplitudes de courant ne peut pas être comparée directement sans normalisation.
Une tendance valide nécessite un protocole de test cohérent.
L'EIS fournit des détails mais nécessite une expertise
La spectroscopie d'impédance peut fournir une séparation diagnostique précieuse, mais les résultats dépendent de la gamme de fréquences, de la qualité du montage, du niveau d'excitation, de l'état de la cellule et du modèle d'interprétation.
Elle doit compléter, et non remplacer, les tests de capacité, de résistance et d'autodécharge.
Les données au niveau du bloc peuvent masquer des cellules faibles
La tension totale, la capacité totale ou la température moyenne peuvent masquer un déséquilibre ou une dégradation localisée.
Pour les systèmes connectés en série, les mesures individuelles des cellules sont essentielles pour identifier la cellule limitante.
Les seuils de SOH fixes sont spécifiques à l'application
Le seuil pratique de fin de vie dépend des exigences de l'application en matière de capacité, de puissance, de sécurité et de plage de fonctionnement.
Une cellule peut être inadaptée à une application en raison d'une perte de puissance tout en restant utilisable dans une autre avec des demandes de courant plus faibles.
Faire le bon choix pour votre objectif
Utilisez un ensemble de mesures qui correspond à la fois à l'application prévue et au niveau de certitude diagnostique requis.
- Si votre objectif principal est l'estimation de base du SOH : Mesurez la capacité utilisable, la résistance interne, l'autodécharge, la tension, le courant et la température dans des conditions reproductibles.
- Si votre objectif principal est la performance à haute puissance : Donnez la priorité à la résistance CC, à la chute de tension, au comportement des impulsions de puissance, à l'élévation de température et aux limites de courant.
- Si votre objectif principal est le diagnostic de dégradation : Ajoutez la spectroscopie d'impédance électrochimique, l'efficacité coulombienne, des profils de tension détaillés et l'enregistrement continu de la durée de vie en cycles.
- Si votre objectif principal est l'évaluation d'une chaîne en série ou d'un bloc : Mesurez la tension, la capacité, la résistance, la température, le comportement d'équilibrage de chaque cellule, ainsi que la résistance cumulative de la chaîne.
- Si votre objectif principal est un test de production fiable : Validez l'équipement de test pour l'incertitude, la répétabilité, la reproductibilité et la linéarité avant de vous fier à ses résultats de SOH.
Une évaluation défendable du SOH combine la perte de capacité, la croissance de la résistance, l'autodécharge, le comportement de fonctionnement et l'historique thermique plutôt que de s'appuyer sur un seul paramètre.
Tableau récapitulatif :
| Paramètre | Pourquoi c'est important | Indicateur SOH |
|---|---|---|
| Capacité | Mesure la capacité de stockage d'énergie ; une baisse indique une dégradation | % de conservation de la capacité |
| Résistance interne/Impédance CC | Affecte la délivrance de puissance et la chaleur ; une hausse indique le vieillissement | % d'augmentation de la résistance |
| Autodécharge | Identifie les fuites internes ; une perte anormale indique des problèmes | Taux d'autodécharge |
| Tension | Révèle le SOC, la chute de tension et les défauts | Stabilité du profil de tension |
| Courant | Fournit le comptage des ampères-heures et le calcul de la puissance | Capacité de courant |
| Température | Affecte les performances et le vieillissement ; les températures élevées accélèrent la dégradation | Élévation et distribution de la température |
| Impédance électrochimique (EIS) | Sépare les mécanismes de dégradation | Tendances de l'impédance |
| Efficacité coulombienne | Détecte les réactions parasitaires ; prédit la perte de capacité à long terme | % d'EC |
| Nombre de cycles | Suit la dégradation au cours de la vie | Tendance de la capacité/résistance |
Remarque : Le SOH doit être évalué à partir d'une combinaison de ces mesures, et non d'un seul paramètre.
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