Essais mécaniques de batteries avec capteurs de force

1 Motivation

Les batteries utilisées comme source d’énergie pour les véhicules automobiles reposent sur des systèmes lithium-ion, dont les cellules comportent généralement des anodes en graphite. Lors du processus de charge, les ions lithium sont stockés dans le graphite, ce qui entraîne une augmentation de volume.

En 2014, Florian Grimsmann [1] a décrit une méthode permettant de mesurer les variations d’épaisseur d’une cellule pendant les processus de charge et de décharge. Il a également réussi à mesurer les variations dimensionnelles des cellules de batterie dues à des modifications irréversibles d’épaisseur (lithium plating) à très basse température ou sous des courants de charge élevés.

CLIQUEZ SUR L’IMAGE POUR TÉLÉCHARGER L’ARTICLE COMPLET AU FORMAT PDF

Les processus de charge et de décharge des accumulateurs lithium-ion provoquent donc des effets mécaniques réversibles et irréversibles. Outre la mesure des variations dimensionnelles des cellules, la mesure des forces générées par les cycles de charge et de décharge ainsi que par les effets de lithium plating fait aujourd’hui l’objet d’une attention croissante.

Pour mesurer ces forces de manière fiable — même sur de très longues périodes et dans des conditions climatiques défavorables — il existe des capteurs robustes et parfaitement adaptés. La cellule testée est placée en série avec le capteur de force.

2 Conditions de base des essais de batteries

Les essais mécaniques de batteries sont souvent réalisés sous des conditions de température précisément contrôlées. Dans les enceintes climatiques, il est possible d’atteindre des températures inférieures à 0 °C ou supérieures à 80 °C.

FIG. 1: PRINCIPE DE BASE D’UN DISPOSITIF D’ESSAI POUR MESURER LES FORCES GÉNÉRÉES PAR LES CELLULES DE BATTERIE

Outre les forces, de la chaleur est également générée dans les cellules lors des cycles de charge et de décharge. Le capteur de force étant en contact mécanique direct avec l’échantillon testé, un gradient thermique peut donc influencer la mesure. Ces essais peuvent s’étendre sur des périodes très longues, sans possibilité de rééquilibrer le zéro de la chaîne de mesure. Les variations de force, parfois très faibles, doivent être détectées avec fiabilité, ce qui nécessite une incertitude de mesure particulièrement faible.

D’autres grandeurs physiques sont généralement enregistrées en parallèle, notamment le courant et la tension du côté électrique ainsi que les déplacements (déformation des cellules). Les informations de température sont également essentielles.

La configuration mécanique typique consiste en un bâti de force. La cellule testée est généralement reliée mécaniquement à un capteur de force afin de permettre la mesure des efforts. La rigidité du bâti doit être particulièrement élevée. Un exemple de configuration est illustré dans la figure ci-dessous.

3 Capteurs de force à cisaillement à symetrie radiale (séries HBK U10M et C10)

En prenant l’exemple du modèle U10M, le corps de mesure d’un capteur de force à cisaillement radialement symétrique est présenté à la fois sur une photographie et sous forme de modèle FEM dans la figure 2.

La force est appliquée sur le filetage central interne du U10M [1] et transmise à la bride externe [3] via les bras de liaison [2]. Cette bride externe est soit vissée sur un adaptateur, soit montée directement sur un élément de structure (Fig. 1).

FIG. 2: CAPTEUR DE FORCE DE CISAILLEMENT À SYMÉTRIE RADIALE U10M. ÉLÉMENT DE RESSORT (GAUCHE) ET MODÈLE FEM (DROITE). VOIR LE TEXTE PRINCIPAL POUR LES DÉTAILS

FIG. 3: CAPTEUR DE FORCE DE CISAILLEMENT À SYMÉTRIE RADIALE C10 POUR FORCES DE COMPRESSION. VERSIONS AVEC ADAPTATEUR DE PIED VISSÉ (GAUCHE) ET VERSION BRIDE DE MESURE (CAPTEURS À DROITE)

L’application d’une force provoque des contraintes mécaniques dans les bras de liaison, générant ainsi une déformation. Les jauges de contrainte sont installées à un angle de 45 degrés afin de mesurer les déformations résultant des contraintes de cisaillement. Le champ de déformation est illustré dans le diagramme de la figure 4. La localisation précise de la déformation dans la zone de la grille de mesure n’a pas d’importance, ce qui constitue un avantage pour l’utilisation de jauges de contrainte.

Contrairement à d’autres principes de corps de mesure, il n’existe pas de points de déformation maximale clairement localisés. Les dommages sur les jauges de contrainte surviennent généralement dans les zones de déformation maximale. Le champ de déformation obtenu avec le principe de mesure par cisaillement est donc particulièrement favorable.

Le modèle FEM montre que lorsque la force est appliquée, les déformations se produisent uniquement dans les zones où les jauges de contrainte sont installées (figure 2, partie droite) — toutes les autres contraintes mécaniques restent plus faibles. Les déformations importantes sont représentées en rouge, tandis que le bleu indique des contraintes mécaniques faibles ou inexistantes. Comme on peut le constater, les déformations se concentrent dans les zones où sont installées les jauges de contrainte. Dans l’ensemble, la déformation sous charge reste très faible. La rigidité étant définie comme le rapport entre la force et le déplacement (c’est-à-dire la déformation sous charge), les capteurs de force à cisaillement radialement symétriques présentent une rigidité très élevée — autrement dit une déformation minimale sous charge.

HBK utilise exclusivement des jauges de contrainte en chrome-nickel dans ces capteurs de force, plutôt que les jauges de type Constantan généralement utilisées. Le Constantan présente un avantage en termes de coût, mais le chrome-nickel offre une sensibilité plus élevée et surtout une bien meilleure stabilité dans le temps. Le point zéro du capteur de force reste ainsi extrêmement stable sur de longues périodes.

FIG. 4: CAPTEUR DE FORCE DE CISAILLEMENT À SYMÉTRIE RADIALE : CHAMP DE DÉFORMATION DANS LA ZONE DES GRILLES DE MESURE DES JAUGES DE CONTRAINTE INSTALLÉES

FIG. 5: CAPTEUR DE FORCE DE CISAILLEMENT À SYMÉTRIE RADIALE : STABILITÉ À LONG TERME À TEMPÉRATURE ÉLEVÉE (40 °C). APRÈS LA PHASE DE RODAGE, TOUS LES CAPTEURS DE FORCE PRÉSENTENT UN COMPORTEMENT TRÈS STABLE — LA FAIBLE DÉRIVE PERMET DE RÉALISER DES MESURES SUR DE LONGUES PÉRIODES SANS RÉAJUSTEMENT DU ZÉRO

La sensibilité accrue et le champ de déformation favorable permettent d’obtenir des signaux de sortie très élevés, supérieurs à 4 mV/V pour de nombreux modèles, ce qui réduit l’influence relative de la température et de la dérive.

La conception du capteur permet également un soudage hermétique. Cette étanchéité hermétique garantit une excellente stabilité métrologique.

HBK a réalisé des essais internes approfondis pour démontrer la stabilité de ces capteurs.Les résultats montrent une dérive typique du point zéro d’environ 200 ppm (de la pleine échelle) sur une période de 700 heures. Après la dérive initiale liée à la mise sous tension, les capteurs présentent une variation extrêmement faible du signal de zéro, même à température élevée, ce qui permet d’obtenir des mesures de force fiables et non altérées (voir fig. 5).

4 Exigences posées au capteur de force/Pourquoi utiliser des capteurs de force de cisaillement dans cette application ?

Comme indiqué précédemment, les essais sont réalisés sur de longues périodes et dans des conditions exigeantes. Le profil d’exigence est le suivant :

Rigidité élevée du capteur
FFaible dérive du point zéro, même sur de longues périodes d’essai et à température élevée
Faible sensibilité aux gradients thermiques:
Étanchéité hermétique afin de limiter l’influence de l’environnement (par exemple la condensation)
Excellente précision même pour de très faibles variations de force

Le capteur de force de cisaillement à symétrie radiale C10 répond pleinement à ces exigences.

Rigidité: Les capteurs à cisaillement présentent un déplacement extrêmement faible, de sorte que l’influence du capteur sur le résultat est inférieure à celle du reste de la structure de test.

Faible dérive: Les capteurs C10 délivrent un signal de sortie de 4 mV/V. L’influence de la dérive reste donc limitée, puisqu’elle doit être évaluée par rapport à la pleine échelle. De plus, les jauges de contrainte sont basées sur le CrNi et peuvent ainsi être stabilisées de manière particulièrement efficace, ce qui garantit une excellente stabilité du point zéro. Un rapport détaillé permettant d’estimer la dérive sur une période d’un an peut être fourni sur demande.

Insensibilité aux gradients thermiques: Les capteurs à cisaillement HBK, notamment les séries U10 et C10, sont équipés de huit jauges de contrainte par pont de mesure. Ces jauges de contrainte sont installées sur quatre poutres de cisaillement (positions 1-4 dans la Fig. 6). Deux jauges de contrainte sont toujours montées en opposition : l’une mesure une déformation positive et l’autre une déformation négative. L’avantage est que l’influence thermique sur chaque bras est compensée, ce qui rend le capteur très peu sensible aux gradients de température.

Étanchéité hermétique Tous les capteurs C10 avec forces nominales supérieures à 10 kN sont soudés hermétiquement et atteignent l’indice de protection IP68 avec l’option « câble intégré permanent », garantissant un fonctionnement stable même dans des environnements très humides. Avec des classes de précision de 0,02 ou 0,05, les capteurs C10 figurent parmi les capteurs de force les plus précis de leur catégorie.

FIG. 6: POSITIONS DES JAUGES DE CONTRAINTE DANS UN U10/C10. UNE JAUGE MESURANT UNE CONTRAINTE POSITIVE ET UNE JAUGE MESURANT UNE CONTRAINTE NÉGATIVE SONT POSITIONNÉES AUX EMPLACEMENTS 1 À 4. LES JAUGES DE CONTRAINTE SONT COLLÉES DANS LES ORIFICES. ON OBSERVE CLAIREMENT QUE LES CONTRAINTES MÉCANIQUES SOUS CHARGE N’APPARAISSENT QUE DANS LES ZONES OÙ LES JAUGES DE CONTRAINTE SONT INSTALLÉES (ZONES ROUGES SUR LES BRAS)

5 Évaluation de l’incertitude de mesure

Considérons un essai réalisé avec un capteur C10 dans des conditions de température constantes de 40 °C sur une durée de 500 jours.

Notons les paramètres du capteur suivants :

Hystérésis : 0,04 % de Fnom

Linéarité : 0,035 % de Fnom

Erreur de sensibilité : 0,1 % de la valeur mesurée, avec sortie nominale ajustée

Coefficient thermique du point zéro : 0,0750 %/10 K

Coefficient thermique de sensibilité : 0,015 %/10 K

Dérive annuelle : Selon les études internes HBK : 0,1 % / an

Fluage relatif sur 30 minutes : 0,02 % de la valeur mesurée

Conditions ambiantes

Conditions de température :

Écart de température par rapport à la valeur de référence : 40 °C (pour TCC)
Stabilité de température : 1 °C (pour TCzero)

Application de la force :

Application centrale de la force avec une tolérance très faible

Supposons un scénario dans lequel la force augmente linéairement au cours de l’essai, passant d’environ 100 N à 100 kN. Un capteur de force HBK C10 / 100 kN est utilisé.

Il est donc nécessaire de calculer l’erreur à différents points de la courbe force-temps. Afin de simplifier le modèle, une augmentation linéaire de la force est supposée (0 N au premier jour, 100 kN après 500 jours).

Les différentes sources d’erreur sont présentées dans le tableau de la figure 7.

Le résultat pour le centième jour est présenté à titre d’exemple, avec une force d’environ 20 kN.

FIG. 7: FEUILLE DE CALCUL POUR L’ÉVALUATION DE L’INCERTITUDE DE MESURE À UN MOMENT DONNÉ DE L’ESSAI (20 kN APRÈS 100 JOURS). OUTRE LES ERREURS LIÉES À LA TEMPÉRATURE, LA DÉRIVE DU CAPTEUR, L’ERREUR DE LINÉARITÉ ET L’INCERTITUDE DE SENSIBILITÉ SONT PRISES EN COMPTE. CE CALCUL EST RÉPÉTÉ POUR PLUSIEURS POINTS SUR LE MÊME AXE TEMPOREL.

Ce calcul peut ensuite être répété pour tous les points de mesure. Le résultat est présenté dans le tableau ci-dessous (voir fig. 8). Il est notable qu’une erreur de mesure d’environ 1 % par rapport à la valeur mesurée peut être obtenue, même dans ces conditions de mesure difficiles. Cela concerne la valeur absolue de la force. Les variations de force (par exemple d’un cycle de charge à l’autre) peuvent être détectées avec une précision encore plus élevée.

D’une part, l’incertitude de mesure augmente parce que la dérive due aux phénomènes physiques doit être prise en compte. D’autre part, la force augmente, ce qui réduit l’influence relative de cette dérive sur le signal de mesure dans les conditions considérées.

FIG. 8: TABLEAU DE RÉSULTATS DE L’ANALYSE D’INCERTITUDE DE MESURE AVEC UNE AUGMENTATION LINÉAIRE DE LA FORCE SUR 500 JOURS DE 100 N À 100 kN

6 Conclusion

Pour les mesures de force sur batteries sur de longues périodes, les exigences imposées aux capteurs sont particulièrement élevées. Une défaillance du capteur de force pendant des essais de longue durée peut retarder les projets et entraîner des coûts importants. Des capteurs de force à cisaillement hermétiquement scellés — comme le C10 de HBK — offrant un signal de sortie élevé et une très grande précision sont disponibles et répondent parfaitement à ces exigences

Vous voulez en savoir plus ?

Regardez l’enregistrement du webinaire sur les essais mécaniques de batteries : Essais physiques de cellules individuelles

Cette session met l’accent sur la mesure de force comme outil permettant de comprendre le vieillissement des batteries et leurs évolutions physiques. Elle aborde notamment la détection de variations de force, même très faibles, afin d’identifier :

Effets des cycles de charge et de décharge
Influences sur la mesure
Incertitude de mesure

Vous pouvez également consulter les autres présentations de la série de webinaires consacrés aux essais de batteries.

Sources

[1] « Auswirkungen des Ladeprofils auf das Lithium-Plating-Verhalten von Lithium-Ionen-Zellen », Florian Grimsmann, mémoire de master, Université Carl von Ossietzky, Oldenburg, Allemagne, p. 19 et suivantes.

Main Menu

Main Menu

Main Menu

Main Menu

Find Your Sensor

Essais mécaniques de batteries avec capteurs de force

1 Motivation

CLIQUEZ SUR L’IMAGE POUR TÉLÉCHARGER L’ARTICLE COMPLET AU FORMAT PDF

2 Conditions de base des essais de batteries

FIG. 1: PRINCIPE DE BASE D’UN DISPOSITIF D’ESSAI POUR MESURER LES FORCES GÉNÉRÉES PAR LES CELLULES DE BATTERIE

3 Capteurs de force à cisaillement à symetrie radiale (séries HBK U10M et C10)

FIG. 2: CAPTEUR DE FORCE DE CISAILLEMENT À SYMÉTRIE RADIALE U10M. ÉLÉMENT DE RESSORT (GAUCHE) ET MODÈLE FEM (DROITE). VOIR LE TEXTE PRINCIPAL POUR LES DÉTAILS

FIG. 3: CAPTEUR DE FORCE DE CISAILLEMENT À SYMÉTRIE RADIALE C10 POUR FORCES DE COMPRESSION. VERSIONS AVEC ADAPTATEUR DE PIED VISSÉ (GAUCHE) ET VERSION BRIDE DE MESURE (CAPTEURS À DROITE)

FIG. 4: CAPTEUR DE FORCE DE CISAILLEMENT À SYMÉTRIE RADIALE : CHAMP DE DÉFORMATION DANS LA ZONE DES GRILLES DE MESURE DES JAUGES DE CONTRAINTE INSTALLÉES

4 Exigences posées au capteur de force/Pourquoi utiliser des capteurs de force de cisaillement dans cette application ?

5 Évaluation de l’incertitude de mesure

Conditions ambiantes

FIG. 8: TABLEAU DE RÉSULTATS DE L’ANALYSE D’INCERTITUDE DE MESURE AVEC UNE AUGMENTATION LINÉAIRE DE LA FORCE SUR 500 JOURS DE 100 N À 100 kN

6 Conclusion

Vous voulez en savoir plus ?

Sources

Nous avons déménagé ${referer} vers www.hbkworld.com

Nous avons déménagé ${referer} vers www.hbkworld.com

Nous avons déménagé ${referer} vers www.hbkworld.com

Nous avons déménagé ${referer} vers www.hbkworld.com

Nous avons déménagé ${referer} vers www.hbkworld.com

Nous avons déménagé ${referer} vers www.hbkworld.com