Tektronix : Solutions essentielles pour les tests haute puissance et de batteries
Le monde évolue rapidement vers un avenir entièrement électrifié. Cette transformation globale ne se limite pas à l'automobile ; elle touche tous les secteurs, des réseaux d'énergies renouvelables à l'électronique grand public. Les batteries sont la source d'énergie essentielle de cette métamorphose. Cependant, ce sont aussi des systèmes électrochimiques complexes. Leur sécurité, leur durée de vie et leur efficacité dépendent de tests rigoureux et complets.
La révolution de l'électrification et ses exigences en matière de tests
La demande en systèmes de stockage d'énergie fiables croît de façon exponentielle. À titre d'exemple, le marché des véhicules électriques (VE) devrait connaître une croissance spectaculaire. D'ici 2030, les ventes de VE pourraient représenter plus de 30 % des ventes mondiales de voitures neuves. Cette croissance sans précédent engendre un besoin crucial d'équipements de test de pointe. Les ingénieurs doivent pouvoir vérifier avec certitude les performances à chaque étape, depuis la recherche sur les cellules jusqu'à la fabrication et l'intégration finale du système.
Le portefeuille holistique de Tektronix pour les applications de puissance
Tektronix , avec ses marques spécialisées telles que Keithley et EA Elektro-Automatik, propose un écosystème de test complet. Son portefeuille couvre l'ensemble du spectre de puissance, de la caractérisation des cellules au niveau du millivolt jusqu'aux cycles de charge/décharge des batteries à l'échelle du mégawatt. Ces outils offrent la précision et la puissance requises pour les applications modernes. Cette approche intégrée garantit des données cohérentes et traçables, et accélère la validation de la conception et la cadence de production.
L’évolution du paysage chimique des batteries
La technologie des batteries modernes est en constante évolution. Si les batteries lithium-ion dominent actuellement le marché, de nouvelles technologies émergent sans cesse. Les batteries à l'état solide, sodium-ion et lithium-soufre de pointe sont en préparation. Chaque nouvelle technologie présente des défis de test spécifiques et nécessite des solutions spécialisées pour caractériser sa capacité et son comportement thermique. Les systèmes modulaires de Tektronix, comme la série EA-BTS, sont conçus pour s'adapter et permettre aux ingénieurs de garantir la pérennité des technologies face à l'évolution des spécifications énergétiques.
Tests fondamentaux au niveau cellulaire et modulaire : précision et débit
Les tests au niveau des cellules et des petits modules sont essentiels à la qualité des batteries. Cette étape exige une précision de mesure maximale. De minuscules variations dans la nature des matériaux ou la qualité de fabrication peuvent affecter considérablement les performances à long terme. Tektronix et Keithley fournissent des outils indispensables à cet égard. Ils garantissent aux chercheurs la collecte de données exploitables et fiables.
Mesures de haute précision avec multimètres numériques (DMM) et unités de source-mesure (SMU)
Une caractérisation précise commence par des mesures stables et à faible bruit. Les multimètres numériques haute résolution (DMM) de Keithley sont essentiels. Ils mesurent les tensions et les courants avec une précision exceptionnelle. Par exemple, le DMM7510 peut offrir Résolution de chiffres. Cette précision est indispensable pour évaluer les variations infimes de la tension des cellules. De telles variations signalent des processus internes cruciaux.
L' unité de source-mesure (SMU) est sans doute l'outil le plus indispensable. Elle intègre quatre instruments en un seul : une alimentation de précision, une source de courant, un multimètre numérique et une charge électronique. Cette intégration élimine les erreurs de connexion et les problèmes de synchronisation. Les SMU SourceMeter de la série 2400 de Keithley sont largement utilisées. Elles sont idéales pour les tests de fuite de courant des batteries et l'établissement de courbes de caractérisation. Elles peuvent fournir un courant précis tout en mesurant simultanément la tension (et inversement). Cette capacité est fondamentale pour construire une courbe I-V précise pour une nouvelle chimie de cellule.
Tests de tension en circuit ouvert (OCV) et de résistance interne (IR) pour le classement
Deux paramètres clés déterminent la qualité et l'état de charge (SOC) d'une cellule : la tension en circuit ouvert (OCV) et la résistance interne (IR) .
- Test de tension en circuit ouvert (OCV) : ce test mesure la tension aux bornes des cellules lorsqu'aucune charge n'est appliquée. Des mesures précises de l'OCV, nécessitant souvent des multimètres numériques à haute impédance d'entrée, permettent de classer les cellules avec précision. Les cellules sont triées par groupes en fonction de leur OCV. Ceci garantit que seules des cellules appariées sont assemblées dans un pack. Des cellules non appariées réduisent considérablement la durée de vie et les performances de l'ensemble du pack batterie.
- Test de résistance interne (RI) : La résistance interne détermine la quantité d’énergie qu’une batterie peut fournir ou absorber. Une RI élevée entraîne une plus grande production de chaleur et une efficacité moindre. La norme industrielle utilise souvent la méthode de résistance en courant alternatif (RCA) . Cette méthode applique un faible courant d’ondulation alternatif (par exemple, On applique un courant à la cellule. La variation de tension alternative qui en résulte est ensuite mesurée. Les solutions Keithley spécialisées permettent d'effectuer ces mesures rapidement et avec précision. Ce test à haute vitesse est essentiel pour les lignes de production à grand volume.
Tests cycliques et caractérisation de la durée de vie cellulaire
Les ingénieurs doivent comprendre la dégradation d'une cellule après des centaines, voire des milliers, de cycles de charge-décharge. Ce processus est appelé test cyclique . À l'aide d'unités de mesure de précision (SMU) ou de cyclers de batterie dédiés, le courant est injecté et déchargé de la cellule de manière répétée. Les paramètres critiques, tels que la perte de capacité et l'efficacité coulombique, sont suivis au fil du temps. L'efficacité coulombique correspond au rapport entre la charge extraite de la cellule et la charge qui y est injectée. Idéalement, ce rapport est proche de 0,01. . Toute déviation révèle des réactions parasitaires internes. Ces réactions consomment le matériel actif de la cellule. Des mesures de haute précision permettent de détecter immédiatement même les plus infimes baisses d'efficacité. Ceci fournit des données essentielles pour valider les modèles cellulaires et prédire la durée de vie.
Tests de packs haute puissance et de systèmes : simuler la réalité
Au-delà des cellules individuelles, les défis liés aux tests de batteries complètes sont considérablement différents. Les batteries fonctionnent à des tensions élevées (par exemple, ou ) et des courants élevés. Ces tests doivent reproduire les conditions extrêmes et imprévisibles d'une utilisation réelle. Ce niveau de test exige un équipement spécialisé de haute puissance, doté de capacités avancées de sécurité et de régénération.
Alimentations CC bidirectionnelles et charges électroniques pour le cyclage des batteries
Les tests de batteries haute puissance reposent essentiellement sur des alimentations CC bidirectionnelles . Les alimentations traditionnelles se contentent de fournir du courant. Les alimentations bidirectionnelles, quant à elles, peuvent à la fois fournir et absorber du courant efficacement.
- Alimentation (charge) : L'unité sert de source d'alimentation de précision pour charger la batterie.
- Décharge/Chargement : L'appareil agit comme une charge électronique de forte puissance, puisant du courant dans la batterie.
Les solutions des partenaires de Tektronix, comme les systèmes haute puissance d'EA Elektro-Automatik ou de Keithley, excellent dans ce domaine. Ces systèmes offrent la densité de puissance nécessaire et permettent des cycles de charge et de décharge rapides et contrôlés, ce qui est essentiel pour vérifier les performances lors des protocoles de charge rapide.
Technologie régénérative : gains d’efficacité et réduction des coûts dans les tests haute puissance
Tester de gros packs de batteries consomme énormément d'énergie. Par exemple, décharger un Une batterie nécessite de dissiper cette énergie sous forme de chaleur. Ce processus est énergivore et requiert d'importantes infrastructures de refroidissement. La technologie de régénération apporte une solution à ce problème.
Les alimentations bidirectionnelles haut de gamme sont dotées de capacités de récupération d'énergie. Lorsque la batterie se décharge, la charge électronique ne convertit pas l'énergie en chaleur. Au lieu de cela, elle reconvertit le courant continu en courant alternatif de haute qualité. Ce courant alternatif est ensuite réinjecté dans le réseau électrique principal de l'installation. Les avantages opérationnels sont considérables.
- Réduction des coûts énergétiques : La consommation d’énergie peut être réduite jusqu’à 90 % , ce qui permet de réaliser d’importantes économies à long terme.
- Réduction de la charge thermique : le besoin en systèmes de refroidissement importants est considérablement réduit. Cela simplifie l’infrastructure du laboratoire et diminue les coûts de maintenance.
Cette technologie permet aux fabricants d'effectuer davantage de tests plus rapidement. Elle est essentielle pour les tests rigoureux et à grande échelle requis par la production moderne.
Simulation du cycle de conduite et validation du système de gestion de la batterie (BMS)
Les essais doivent dépasser le simple cycle de charge/décharge constant. Les ingénieurs doivent simuler des scénarios de fonctionnement réalistes. La simulation du cycle de conduite reproduit les besoins en puissance dynamiques et variables d'un véhicule sur la route. Cela implique de simuler les phases d'accélération, de vitesse de croisière et de freinage régénératif. L'équipement d'essai doit réagir en temps réel et suivre avec précision les profils complexes de courant et de tension.
Ce test permet de vérifier le système de gestion de la batterie (BMS) , véritable cerveau du pack batterie. Il surveille l'état des cellules, contrôle la charge et garantit la sécurité. Les solutions de test haute puissance doivent interagir directement avec le BMS. Elles simulent les défauts et les surintensités et confirment que le BMS réagit correctement afin d'éviter tout emballement thermique ou dommage. La vérification du bon fonctionnement du BMS est sans doute l'étape de sécurité la plus importante. La réponse dynamique de l'alimentation est essentielle à une validation fiable et réaliste du BMS.
Au-delà de l'électrique : analyse thermique et de sécurité avec des outils intégrés
Les performances d'une batterie ne se limitent pas à un phénomène électrique. La gestion thermique et une validation complète de la sécurité sont tout aussi essentielles. Une batterie lithium-ion fonctionne dans une plage de températures très étroite. Le dépassement de ces limites peut entraîner des dommages irréversibles, voire un emballement thermique catastrophique. L'approche intégrée de Tektronix associe des outils électriques de haute précision à des capacités cruciales d'analyse thermique et de sécurité.
L'importance de la surveillance thermique intégrée
La température influe directement sur la durée de vie et la puissance d'une batterie. La dégradation des cellules s'accélère considérablement en dehors de la plage de température optimale (généralement à ). Les tests à haute puissance doivent intégrer des mesures thermiques simultanées et précises.
Les ingénieurs utilisent fréquemment des thermocouples ou des détecteurs de température à résistance (RTD). Ces capteurs sont soigneusement intégrés dans l'ensemble du pack. Les systèmes d'acquisition de données (DAS) surveillent en temps réel des centaines de points de température. Les outils Tektronix intègrent souvent ces flux de données, ce qui permet de relier les performances électriques précises aux conditions thermiques spécifiques. Cette vision intégrée est essentielle pour valider l'efficacité du système de refroidissement du pack (par exemple, refroidissement liquide ou par air). Toute hausse brutale de température doit être immédiatement corrélée à la charge de courant correspondante.
Analyse des pertes de commutation et de la qualité de l'énergie à l'aide d'oscilloscopes
L'ensemble du système de conversion de puissance, ou onduleur, est intrinsèquement lié à la batterie. L'onduleur convertit le courant continu (CC) de la batterie en courant alternatif (CA) pour le moteur. Cette conversion repose sur des dispositifs de commutation à haute vitesse, tels que les semi-conducteurs de puissance en carbure de silicium (SiC) ou en nitrure de gallium (GaN).
Les oscilloscopes sont indispensables à la caractérisation de ces composants électroniques de puissance. Les oscilloscopes haute résolution Tektronix (par exemple, le MSO série 5) sont utilisés pour analyser les pertes de commutation . La commutation à haute fréquence génère de la chaleur. Minimiser ces pertes permet de maximiser l'énergie utilisable de la batterie. Des sondes à taux de réjection en mode commun (CMRR) élevé sont nécessaires. Ces sondes garantissent des mesures précises des tensions aux bornes des commutateurs côté haut. Une analyse précise permet d'optimiser la synchronisation des commandes de grille. Une synchronisation optimisée améliore le rendement et réduit les contraintes thermiques sur les composants.
De plus, ces outils mesurent la qualité de l'alimentation électrique. Ils analysent les harmoniques et les ondulations présentes sur le bus CC. Une mauvaise qualité d'alimentation peut endommager la batterie et les autres composants électroniques embarqués.
Normes de sécurité avancées et vérification de la conformité
Le respect des normes internationales de sécurité et de réglementation est impératif. Les essais doivent vérifier la conformité aux normes telles que la norme UN 38.3 (transport) et diverses normes automobiles (par exemple, la norme ISO 26262 pour la sécurité fonctionnelle).
Les équipements de test haute puissance doivent intégrer des dispositifs de sécurité, notamment des circuits d'arrêt d'urgence et des protections contre les surtensions et les surintensités. Le système de test lui-même doit être fiable et capable de reproduire les modes de défaillance sans endommager la batterie, coûteuse, ni les installations.
