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Techniques

Une nouvelle méthode pour tester les batteries de véhicules électriques

Par David Sigillo, Vice-Président de Seica

Publication: 13 avril

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Avec le développement des véhicules électriques à travers le monde, l’intérêt porté à l’ensemble du cycle de vie des batteries des constituants chimiques utilisés au recyclage en passant par la fabrication ne fait que croitre, et ce à juste titre...
 

Il suffit en effet de se connecter au portail d’un média social quelconque pour trouver des annonces offrant non seulement des voitures et des bus électriques, mais aussi des drones électroniques capables de transporter des colis et même des personnes de manière autonome à travers les airs. Les fabricants d’avions ont également réalisé des prototypes d’avions expérimentaux entièrement alimentés par des batteries, en attendant le prochain saut technologique qui permet tra d’augmenter leur autonomie.

Compte tenu de l’intérêt accru porté aux batteries et des besoins croissants, il appartient aux fabricants d’équipements d’origine (OEM) de trouver la meilleure solution pour répondre à ces besoins. Par exemple, les batteries au lithium-cobalt-oxyde sont celles les plus couramment utilisées pour le marché grand public ; cependant, elles sont jugées inadaptées pour les applications du secteur automobile / des transports pour des raisons de sécurité. Les constituants chimiques de batterie les plus couramment utilisés dans le domaine des transports sont : l’oxyde de lithium, nickel, cobalt, aluminium (NCA) ; l’oxyde de lithium, nickel, manganèse, cobalt (NMC) ; l’oxyde de manganèse-lithium (LMO) ; l’oxyde de titane lithié (LTO) et le phosphate de fer-lithium (LFP). Dans le choix du type de batterie, les OEM doivent évaluer, en fonction de l’application prévue, l’importance que revêt chacun des 6 éléments clés, à savoir l’énergie spécifique, la puissance spécifique, la durée de vie, la performance, le coût et la sécurité. Par exemple, pour une application spécifique, l’utilisateur final peut donner la priorité à une durée de vie plus longue plutôt qu’à un coût plus bas. Au lieu de fabriquer eux-mêmes les batteries, la plupart des OEM ont décidé de les acheter à des producteurs reconnus et certaines grandes entreprises ont établi un partenariat avec des fabricants, ce qui a joué un rôle clé dans la mondialisation de la production de batteries. Cette mondialisation a fait apparaître un élément très important qui passe parfois au second plan par rapport aux questions de chimie et de durée de vie, à savoir la production et, comme nous le verrons plus en détail dans cet article, les tests sur les batteries.

La production et les tests sur les batteries peuvent généralement être réalisés de deux façons : 1) le fabricant de batteries se met en partenariat avec un intégrateur ayant une expérience d’assemblage mécanique ; ou 2) il conçoit et développe lui-même des biens d’équipement spécialisés. Il y a environ dix ans, vous pouviez vous promener dans un atelier de production et voir des solutions créées sur mesure ainsi que des cellules de travail intégrées pour les tests et la vérification : ces cellules de travail étaient on ne peut plus rudimentaires, mais elles existaient à une époque où le marché n’en était qu’à ses débuts et étaient donc en mesure de répondre aux demandes en matière de production. Le problème de ces solutions hautement personnalisées était qu’elles étaient généralement lentes, ne testant que quelques cellules à la fois à l’aide d’anciennes technologies mécaniques, telles que les moteurs pas à pas. Du point de vue des logiciels et de la gestion des données, elles n’étaient pas assez sophistiquées pour gérer efficacement les données, et elles ne pouvaient pas générer facilement des programmes de test pour des éléments de batterie ou des blocs-batterie variés, qui sont beaucoup plus répandus aujourd’hui.

Tests

Étant donné que les matériaux et les constituants chimiques restent généralement constants tout au long de la vie d’une batterie spécifique, il ne s’agit pas de tester les matériaux physiques, ou « l’énergie » stockée dans la batterie, mais de vérifier le processus de fabrication, la plupart du temps en mesurant et en testant la connexion des cellules du bloc-batterie à la plaque à bornes + ou –. Ces connexions sont essentielles pour la durée de vie du bloc-batterie et peuvent avoir des conséquences thermiques si l’énergie n’est pas équilibrée. Par conséquent, les fabricants de batteries ou les OEM qui produisent ou assemblent les batteries doivent s’assurer de la fiabilité de la connexion de chaque cellule aux plaques à bornes.

Il existe trois éléments cruciaux à prendre en compte lors du choix d’une solution pour le test de production des batteries : la vitesse de test, la configurabilité et la fiabilité qui doit être élevée. Étant donné que les cellules de test et de vérification conçues sur mesure utilisées initialement étaient devenues inadéquates pour répondre à l’augmentation croissante des volumes et à l’évolution rapide de la technologie, les fabricants ont dû chercher d’autres solutions de test qui répondent à ces trois critères.

Le test à sonde mobile a peut-être été la première solution automatisée standard adoptée par les fabricants de batteries et ces systèmes sont maintenant largement utilisés pour mesurer les connexions électriques dans les blocs de batteries. Utilisé à l’origine dans une version « adaptée » pour vérifier les connexions électromécaniques (au lieu de mesurer les valeurs des composants, les courts-circuits ou les circuits ouverts sur un assemblage de cartes de circuits imprimés), au moins un fournisseur a choisi une approche plus innovante consistant à développer une nouvelle solution, qui réponde aux exigences actuelles et futures des tests de batterie en matière de vitesse, de configurabilité et de fiabilité.

La première considération à prendre en compte est le débit élevé : dans sa configuration maximale prévoyant quatre têtes volantes, la nouvelle architecture matérielle du Seica Pilot BT est capable d’effectuer des tests Kelvin parallèles très précis de 16 cellules à la fois, atteignant des cadences de production de près de 2400 cellules de batterie par minute, soit plus du double de ce qui était possible de faire jusqu’à présent.

Le deuxième élément crucial est la configurabilité, c’est-à-dire la capacité de tester différents types de batteries, ce qui est primordial, car toutes les cellules de batterie ne sont pas créées de la même manière. Cela signifie que la configuration avec position fixe de la sonde des précédents testeurs à sonde limitait la flexibilité des tests de production. La solution Seica élimine cette limite grâce à des « connecteurs volants », qui peuvent être disposés sur plusieurs canaux (de 2 à 16), en direction d’un axe X ou Y. Si un client teste une certaine configuration de batterie pendant une 1re période, puis doit ensuite faire fonctionner une batterie différente sur une 2e période, il suffit de changer les connecteurs volants pour tester l’autre configuration. Un autre point important est la variabilité de la taille des blocs de batteries, de sorte que le fabricant doit avoir la possibilité de modifier les réglages du testeur pour que celui-ci puisse s’adapter à des produits de différentes dimensions et de poids variable. Le Pilot BT peut tester des batteries mesurant jusqu’à 1050 x 865 mm (41,33 x 34,05 pouces) et pesant 100 kilos.

La troisième considération à prendre en compte est la fiabilité du système. La production de batteries et de chaque cellule et « bloc » pourrait presque être considérée comme une opération autonome : dans l’idéal, l’OEM ou le fabricant de batteries aimerait qu’il suffise de verser un peu de lithium, une pincée de fer, une tasse de « sauce secrète » dans la trémie avant, pour qu’à l’autre bout ressorte une cellule de batterie. Il s’agit bien évidemment d’une simplification excessive, mais la seule façon de s’en approcher est d’utiliser des équipements de production extrêmement fiables nécessitant une intervention limitée de l’opérateur. La réalisation de cet objectif dans le domaine des tests est difficile, car les batteries présentent une accumulation de tolérances plus importante que celle des assemblages de cartes de circuits imprimés : la tolérance relative à la place individuelle de chaque batterie dans le bloc, celle entre les batteries et les plaques à bornes, celle entre la palette ou le support et le bloc de batteries à tester, etc. Dans ce scénario, il est essentiel de pouvoir contacter de manière fiable les cellules individuelles pour les tester. Cela signifie que le testeur doit avoir la capacité de vérifier plusieurs points de repère pour garantir la plus grande précision de ciblage, et doit avoir les moyens d’évaluer très rapidement et de façon précise toute tolérance inhabituelle des blocs-batterie en temps réel et d’effectuer des ajustements « sur-le-champ ». La présence de lecteurs laser, de caméras de haute précision et de logiciels dédiés, comme ceux inclus dans le Pilot BT, est fondamentale pour éliminer les tâtonnements et les ajustements manuels des tolérances, et pour pouvoir passer à un processus de test entièrement automatisé.

Une solution de test automatisée standard peut être un meilleur choix par rapport aux solutions « faites maison » que de nombreux fabricants ont utilisées jusqu’à présent, en offrant un taux de rendement global (TRG) élevé et en facilitant les opérations d’entretien grâce à des diagnostics d’autotest et à des pièces standard fiables. En se concentrant sur les concepts clés de vitesse, de configurabilité et de fiabilité, les nouvelles solutions de test telles que le Pilot BT permettent aux OEM et aux producteurs de batteries de se concentrer sur d’autres aspects de leur activité, qu’il s’agisse de la construction de voitures ou de la fabrication de batteries. Les estimations de 2020 concernant le marché des batteries parlant de 25 à 60 milliards de dollars, il est certainement prudent de suivre de près les évolutions des solutions de test pour ce marché. Ce seront les premiers à l’adopter qui en sortiront gagnants ; excepté en cas de climat politique négatif ou de variation du coût du pétrole, de nouvelles percées dans la technologie des batteries sont à l’horizon et même si le marché des VE connaîtra encore quelques turbulences, la plupart des gens s’accordent à dire que le marché des VE est là pour durer.

http://www.seica.fr/

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