Une méthode de mesure en temps réel prolonge la durée de vie et renforce la sécurité des batteries
Méthode de mesure à haute résolution et analyse directe
Une méthode de mesure innovante permet d'optimiser la gestion des batteries des véhicules électriques, ce qui contribue à les rendre plus sûrs et à prolonger leur durée de vie. La spectroscopie d'impédance de l'Institut Fraunhofer pour les technologies de fabrication et les matériaux avancés (IFAM) analyse des données de mesure détaillées sur l'état de la batterie en temps réel pendant son fonctionnement. Cela signifie que les batteries peuvent également être utilisées pour des applications critiques en matière de sécurité.
Installation de laboratoire pour la mesure en temps réel, assistée par ordinateur, de l'impédance d'une cellule de batterie lithium-ion afin d'en analyser l'état.
© Fraunhofer IFAM
Des batteries puissantes et sûres sont un élément clé du succès de la mobilité électrique. La mesure de la capacité et de l'état d'une batterie est donc un facteur crucial. La méthode la plus informative pour ce faire est la spectroscopie d'impédance. L'impédance elle-même ne peut pas être mesurée directement ; elle est calculée à partir de la relation entre le courant et la tension. L'impédance fournit des informations sur l'état de charge de la batterie (SoC) et permet de tirer des conclusions sur son état de santé (SoH, c'est-à-dire l'état à l'intérieur de la batterie, où se trouvent la cathode, l'anode et l'électrolyte) ou sur son état de sécurité.
La collecte de toutes les données nécessaires nécessite des mesures et des méthodes d'analyse qui prennent du temps. En outre, la mesure de l'impédance n'a été possible jusqu'à présent qu'à l'état de repos. Il faut en général 20 minutes pour que les données nécessaires à la caractérisation de la batterie soient prêtes et disponibles.
Les chercheurs du Fraunhofer IFAM ont développé cette méthode sous la direction de Fabio La Mantia. Aujourd'hui, pour la première fois, la spectroscopie d'impédance dynamique permet de calculer des mesures concernant l'état de la batterie pendant son fonctionnement et de les rendre disponibles en temps réel. Les informations ainsi obtenues vont bien au-delà de simples données sur la capacité de charge ou le temps de fonctionnement restant. Elles fournissent une image détaillée, précise et approfondie de ce qui se passe à l'intérieur de la batterie. Cela permet également de prévoir la durée de vie potentielle de chaque cellule de la batterie.
Bien que les affichages existants de l'état de charge de la batterie - qui sont intégrés à l'électronique du véhicule dans les voitures électriques, par exemple - prennent également des mesures en continu pendant l'utilisation, ils offrent moins d'informations, sont beaucoup plus lents à réagir et ne sont pas aussi précis.
"Tout d'abord, la spectroscopie d'impédance dynamique ouvre de nouvelles possibilités pour optimiser la gestion des batteries et prolonger ainsi leur durée de vie. Elle ouvre également la voie à l'utilisation de ces batteries dans des applications critiques pour la sécurité", explique Hermann Pleteit, qui dirige le projet.
Méthode de mesure à haute résolution et analyse directe
Dans cette méthode innovante, le courant de décharge ou de charge est superposé à un signal d'essai multifréquence. Les différentes fréquences permettent de tirer des conclusions sur l'état de certains composants ou processus à l'intérieur de la batterie. Le signal de réponse du courant et de la tension est mesuré jusqu'à un million de fois par seconde. Toutes les données issues de la méthode de mesure à haute résolution sont transmises à un système de traitement des données qui fonctionne en même temps. Un logiciel utilise ces informations pour calculer l'évolution des valeurs d'impédance et en déduire l'état de l'élément de batterie concerné.
Pour obtenir des résultats en temps réel malgré l'énorme volume de données généré par les mesures à haute résolution, les chercheurs du Fraunhofer ont imaginé une autre astuce. "Nous avons développé des algorithmes qui réduisent de manière significative le volume de données avant l'analyse sans perdre d'informations pertinentes", explique M. Pleteit. Dans le droit fil de ces avancées, le contrôle en temps réel de tous les aspects de l'état de la batterie grâce à la spectroscopie d'impédance offre des avantages significatifs.
Mise hors tension rapide des cellules surchauffées
Les systèmes de gestion des batteries peuvent utiliser les données d'impédance pour enregistrer immédiatement la surchauffe locale d'une cellule pendant la conduite, par exemple. Il suffit alors d'éteindre la cellule ou de réduire la puissance. Il n'est donc plus nécessaire d'utiliser les capteurs de température classiques, qui sont placés à l'extérieur de la cellule de la batterie et enregistrent donc les problèmes thermiques avec un certain retard. À ce moment-là, il est souvent trop tard pour empêcher la cellule d'être endommagée.
Les chargeurs de véhicules électriques présentent également des avantages. Par exemple, cette technologie pourrait être utilisée pour choisir entre une charge extra-rapide et une charge plus lente qui réduirait l'usure de la batterie. Lors d'une brève pause sur une aire de repos, le système de gestion de la batterie charge rapidement la batterie tout en veillant à ce qu'il n'y ait pas de pics de température dangereux et à ce que les composants internes ne soient pas trop sollicités. Si le véhicule est branché sur un chargeur pendant plusieurs heures, le système de gestion charge la batterie lentement pour réduire l'usure et prolonger sa durée de vie.
Application aux énergies renouvelables et à l'aviation
Les fournisseurs d'énergies renouvelables telles que l'énergie éolienne ou photovoltaïque, qui doivent compenser les fluctuations de la production d'électricité par le stockage d'énergie, disposent de systèmes de modules de batterie stables qui peuvent être contrôlés à tout moment grâce à la technologie Fraunhofer.
La surveillance en temps réel de l'état de la batterie ouvrira même la possibilité d'une utilisation dans des scénarios de sécurité critiques à l'avenir. "Ces types de systèmes pourraient être utilisés dans les avions électriques écologiques, par exemple. Ce marché n'en est qu'à ses débuts. L'industrie du transport maritime manifeste également son intérêt pour cette technologie", précise M. Pleteit.
La spectroscopie d'impédance ne convient pas seulement aux batteries lithium-ion que l'on trouve couramment aujourd'hui. Cette méthode peut également être appliquée aux batteries à l'état solide, au sodium-ion ou au lithium-soufre - ou à toute autre technologie future.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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