Mesure et analyse des batteries pour véhicules électriques

generic electric car with battery visible x-ray charging at public charger in city parking lot with lens flare 3d render

Chaque jour, nous semblons nous rapprocher un peu plus de la vision d’une mobilité plus durable, fondée sur une énergie propre et des véhicules électrifiés sur route (NEV, BEV), mais aussi sur l’eau et dans les airs.

La grande tendance de fond consistant à protéger le climat grâce à des « solutions durables » réduisant les émissions de CO2 stimule des technologies telles que les batteries haute capacité / haute puissance ou les piles à combustible à base d’H2, désormais considérées comme les principales sources d’énergie mobile. L’abandon progressif des moteurs à combustion impose également de repenser les essais et mesures, avec de nouveaux concepts de sécurité, de nouveaux environnements d’essai, de nouveaux types de capteurs et de technologies de mesure, ainsi qu’une analyse des données adaptée.

Nouvelles technologies de chaîne de transmission – Nouvelles exigences de test

Dans sa recherche d’une mobilité plus durable et plus verte, HBK a très tôt été confronté aux défis liés au développement et aux essais des systèmes de stockage d’énergie mobiles pour véhicules. En tant que leader du marché des essais et mesures, des essais de puissance électrique, du bruit et des vibrations, ainsi que des essais environnementaux, HBK a très tôt acquis une compréhension approfondie des nombreuses exigences et attentes des secteurs tels que l’automobile et les véhicules utilitaires en matière de validation de solutions innovantes de stockage d’énergie et, plus largement, de concepts NEV.

Dans les véhicules modernes, les batteries pouvant atteindre 1000 V nécessitent une très large gamme d’essais, complétée par des mesures de sécurité spécifiques liées à la manipulation de tensions électriques dangereuses et du lithium, élément central du processus électrochimique. Dans ce périmètre d’essai, HBK couvre la majorité des grandeurs mesurées :

Tension, courant et puissance électriques pour l’analyse des performances et du rendement
Tests de sécurité en court‑circuit et essais de charge optimisée
Force, déformation, pression et poids pour l’analyse de la durabilité mécanique et du packaging
Température, débit et pression pour l’analyse de la durabilité thermique

Les essais de moteurs à combustion incluent jusqu’à 300 points de mesure de température, ainsi que des mesures très dynamiques de couple, de vitesse et de pression. Avec l’intégration des batteries et des piles à combustible, le nombre de voies de mesure se concentre de plus en plus autour du système de stockage d’énergie, devenu le plus gros composant d’une chaîne de traction moderne.

Pourquoi mesurer et analyser les données ?

Dans les chaînes de traction électrifiées modernes, l’ensemble des éléments, de la cellule unitaire au pack batterie complet, est pris en charge par des essais virtuels (simulation) et physiques, couvrant généralement le périmètre suivant :

Essais de fiabilité batterie à long terme, axés sur les cycles de charge / décharge (lents, rapides), l’autodécharge, incluant la mesure des tensions et températures de chaque cellule ainsi que l’analyse globale de la puissance
Essais sur banc dynamométrique axés sur la puissance, le rendement et le retour de charge inverse
Essais environnementaux appliquant sur pots vibrants des profils de charge mécanique , orientés cas d’usage combinés à des cycles de température montants et descendants en enceinte climatique
Essais de mauvais usage et d’impact (surcharge, court-circuit, surchauffe, contrainte mécanique, défaut)
Essais d’intégrité structurelle, à commencer par les essais sur véhicule mobile pour l’acquisition de données de charges routières (RLDA), en conditions estivales / chaudes, hivernales / froides, avec transitoires

Pile à combustible

Les solutions HBK d’essais et mesures sont utilisées en collaboration avec des clients majeurs dans le domaine des véhicules électriques à pile à combustible (FCEV), afin de mesurer les stacks de piles à combustible, les reformeurs (échangeurs thermiques, catalyseurs) et d’autres composants système tels que les pompes, ainsi que les batteries assurant le stockage d’énergie lors de la récupération.

Battery Structural Testing

The battery is among the largest and heaviest part of modern electric vehicles. Overall lightweight design and flexible packaging need to be balanced. Optimal weight, structural durability, and overall life-cycle estimation are key parameters that need to be validated before the start of production. HBK is among the leading supplier of seamless measurement chains not only for measurement and physical structural durability testing, but also virtual structural durability testing and lifetime estimation.

Essai de court-circuit de pyrofuse de batterie

La qualification des coupe-circuits et pyrofusibles de batteries de traction haute puissance exige la capacité de mesurer des courants de plusieurs kiloampères avec une fréquence d’échantillonnage extrêmement élevée afin de capturer le pic de courant. Elle exige également de pouvoir mesurer avec précision et avec une forte dynamique des courants de quelques ampères. En raison des tensions élevées, des courants importants et des temps de montée extrêmement rapides, le système DAQ utilisé doit offrir un haut niveau d’immunité CEM, de protection contre les surtensions et d’isolation. Une méthode de réalisation de ces essais de court-circuit consiste à utiliser des capteurs de courant non linéaires et des enregistreurs de données Genesis HighSpeed.

Essais sur cellules pouch : Essais mécaniques de batteries

Les capteurs de force peuvent vous aider à comprendre à quelle vitesse la capacité des batteries se dégrade, car ils permettent d’évaluer les contraintes subies par les cellules lors des cycles de charge / décharge.

Dans ce que l’on appelle le test sur cellule pouch, un capteur de force mesure les contraintes qui se développent à l’intérieur de la batterie dans différentes conditions de charge. Ces contraintes sont déterminantes pour les performances de la batterie, car elles peuvent entraîner une perte de capacité ou, dans les cas extrêmes, une défaillance complète de la batterie.

Découvrez les caractéristiques les plus importantes des capteurs de force pour les essais mécaniques de batteries. Le livre blanc décrit également une méthode simple pour estimer l’incertitude de mesure dans les essais sur cellules pouch.

Lire le livre blanc

Qualification et vérification électriques sous charges dynamiques

Avant la mise sur le marché d’une batterie de traction, la qualification et la vérification de ces systèmes sont indispensables. Un banc d’essai adapté doit couvrir une large plage de tension et de courant, ainsi qu’une forte dynamique, et être capable d’exécuter les essais nécessaires de la manière la plus réaliste possible et en phase avec l’application. À cette fin, les techniques de mesure doivent être très précises et dynamiques.

Pour découvrir comment y parvenir et comment les équipements HBK peuvent vous accompagner, cliquez ici.

Gestion thermique des batteries

Les batteries sont au cœur des véhicules électriques modernes alimentés par batterie (BEV) ou des nouveaux véhicules électriques (NEV), et en constituent le composant unique le plus important. L’enjeu consiste à identifier et valider les paramètres clés optimaux pour l’ensemble du système.

Les performances limitées des batteries lithium-ion à des températures extrêmes accroissent la complexité des systèmes de gestion thermique, avec leurs auxiliaires de support et leurs circuits de refroidissement par air. Des températures excessives peuvent entraîner une autodestruction, voire un incendie (emballement thermique). Des essais approfondis, et tout particulièrement la validation thermique, sont donc essentiels dans l’architecture globale des essais.

La sécurité de fonctionnement fait partie des exigences les plus importantes. Les attentes en matière de durée de vie vont d’au moins 10 ans à 450 000 kilomètres, avec parfois un objectif de recharge en cinq minutes via des superchargeurs. La réutilisation des batteries et leur seconde vie constituent également un sujet majeur.

La gestion thermique de la durée de vie des batteries influe directement sur des paramètres clés tels que les performances en vitesse, la sécurité, le coût et bien d’autres encore. L’analyse thermique exige donc un grand nombre de points de mesure de température répondant à des exigences très élevées : zones de mesure réduites, sécurité maximale grâce à des lignes de mesure à double isolation, voies électriquement isolées, connecteurs sans contact, ainsi qu’une précision de signal maximale et une excellente suppression du bruit.

From Sensors to Qualified Data

Our end-to-end solution helps you validate and optimize HV battery storage – thermally, electrically, and mechanically.

Thermal Analysis of High-voltage Batteries

Computer-based thermal simulation done by Computational Fluid Dynamics (CFD) models serves as an important step towards optimal system design. Real physical testing, however, is still required, as simulation considers not all architectures, integration aspects or parameters.

While battery performance is monitored in climate chambers, important data is gathered. In this environmental and performance test routine, the impact of extreme temperatures can be investigated. It becomes apparent which cooling systems are the best to reach customer use and performance targets. The load case can be scaled and cover all integration levels − from component testing to the entire drivetrain − to optimize the entire system and thermal management before starting production and series.

Expert de longue date en essais thermiques

HBK développe et fournit depuis de nombreuses années les composants nécessaires aux chaînes de mesure dédiées à la validation thermique. Ces solutions s’appuient sur des chaînes de mesure électriques, optiques ou combinées — hybrides.

Les moteurs à combustion doivent déjà composer avec le fait que la puissance génère de la chaleur. Dans le contexte croissant de l’électrification de la mobilité et du développement de nouvelles méthodes d’essais thermiques, HBK a revisité les processus actuels et les a repensés avec une approche innovante. Toute cette expérience et ce savoir-faire ont ainsi été capitalisés et adaptés pour faire également de HBK un spécialiste des essais thermiques pour l’eMobility, et en particulier des essais de batteries.

Le système HBK d’essais thermiques pour le stockage d’énergie mesure notamment la tension, le courant, la température, l’humidité, le débit de refroidissement, la pression, ainsi que la communication avec le système de gestion de batterie. Des calculs sont effectués pour la puissance, le rendement, la surveillance des points chauds, la visualisation et l’analyse. L’automatisation prend en charge le pilotage des essais et la sécurité.

Une solution HBK d’acquisition et d’analyse de données permet des mesures par thermocouples à l’extérieur de la chaîne de traction électrique ainsi que l’investigation au cœur de la batterie, y compris la mesure des tensions de cellule, de la tension globale et du courant. Les entrées universelles couvrent également le débit, la pression, l’humidité et d’autres paramètres requis.

HBK est un fournisseur de solutions complètes et compétitives pour l'analyse thermique, mécanique et électrique du spécimen d'essai.

Solutions HBK pour les essais de batteries : Avantages

Bénéficiez des solutions HBK et assurez une flexibilité maximale ainsi qu’une protection durable de vos investissements :

La sécurité avant tout – HBK répond à la norme de sécurité électrique EN61010
Systèmes DAQ multiphysiques librement évolutifs et flexibles pour de nombreux domaines d’essai : électrique, thermique, mécanique, …
Isolation complète des voies jusqu’à 1500 V DC, permettant des mesures à haut potentiel
Plages d’entrée jusqu’à +/- 1500 V, avec classe de surtension CAT III
Qualité du signal exempt de bruit électromagnétique
Numériseurs isolés en option pour une isolation renforcée et une meilleure immunité au bruit
Concept logiciel ouvert et puissant, depuis les solutions prêtes à l’emploi jusqu’à l’intégration temps réel
Analyse et acquisition des données sur PC en parallèle de l’intégration temps réel dans les bancs d’essais
Une solution unique pour l’acquisition de données sur banc, en laboratoire et en mobilité, évolutive selon vos besoins

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Pourquoi mesurer et analyser les données ?

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