contrôle de qualité à 100 % en quelques fractions de seconde

Modules de test et de mesure de batteries pour l'automatisation, les tests et les laboratoires

Qu'il s'agisse de télécommunications, d'outils, de loisirs ou d'électromobilité, de nombreux appareils et véhicules modernes fonctionnent aujourd'hui indépendamment du réseau électrique grâce à des batteries rechargeables. Pour que celles-ci fonctionnent de manière fiable, les propriétés électriques des différents éléments de la batterie doivent être aussi homogènes que possible, et leurs connexions mécaniques doivent également être testées à 100 %. Comme certaines grandes batteries contiennent des centaines de cellules individuelles, les mesures d'évaluation des cellules doivent être effectuées rapidement, de manière fiable et sûre au cours du processus de production. Cela nécessite des appareils de mesure modernes compatibles avec l'industrie 4.0 pour tous les paramètres pertinents relatifs aux cellules individuelles.

Une batterie électrique est constituée d'éléments de batterie individuels regroupés pour obtenir une tension ou une capacité plus élevée. Cela signifie toutefois qu'une batterie ne vaut que ce que vaut sa cellule la plus faible. Les fabricants de batteries doivent donc tester les propriétés exactes de toutes les cellules individuelles et de tous les modules individuels préassemblés pour le processus de production en cours, et les classer par groupes de qualité. Une batterie de voiture électrique, par exemple, comporte généralement plusieurs centaines de cellules installées dans plusieurs modules. Tester des quantités aussi importantes dans un délai aussi court que possible impose des exigences particulières à la technologie de mesure. Il faut de nombreuses années d'expérience avec les méthodes de mesure électrique et mécanique pour combiner les propriétés clés de la production de batteries dans une seule famille d'appareils de mesure. Ces appareils modernes peuvent ensuite être utilisés individuellement ou en groupe. Ils sont compatibles avec l'industrie 4.0 et faciles à connecter aux bus de terrain standard, à intégrer dans les systèmes de production ou à utiliser à des fins de recherche et de développement.

Test des propriétés électriques des cellules individuelles

L'aspect le plus important du test des cellules consiste à déterminer les propriétés électriques individuelles des cellules. Si une cellule de moindre capacité est connectée en série, l'ensemble du groupe de cellules n'est capable de fournir que la quantité de courant la plus faible. Cela peut également conduire à une défaillance totale, car la cellule ayant la capacité la plus faible est chargée en premier, mais les autres continuent d'être chargées et la cellule ayant la capacité la plus faible surchauffe. La cellule qui dévie peut également surchauffer lors de la décharge. Un autre problème est causé par des résistances internes différentes, qui entraînent une charge et un échauffement inégaux des cellules. C'est pourquoi les cellules de la batterie doivent avoir des paramètres aussi identiques que possible (voir figures 1a, b). Comme les packs de batteries sont constitués de cellules individuelles de différents formats (rond, poche, prismatique), la technologie de mesure doit pouvoir tester toutes les variantes.

Avec des milliers de cellules individuelles à tester dans de nombreux cas, un débit élevé est essentiel. L'utilisation d'appareils de mesure dans les tests de production automatisés des cellules de batteries pour une assurance qualité constante de 100 % en quelques fractions de section nécessite une expertise approfondie. Le module tout-en-un 2511 (voir fig. 2) du spécialiste des techniques de mesure burster (voir encadré) est un appareil de mesure spécialement conçu pour ce type de tâches. Offrant une mesure de la résistance interne AC/DC avec des valeurs de 0,1 µΩ ... 300 mΩ dans 4 plages de mesure de 10 ... 300 mΩ, ainsi qu'une méthode de mesure à quatre fils pour une précision maximale, il permet de générer des résultats de mesure et d'évaluation dans les plus brefs délais. Les mesures peuvent être effectuées dans la gamme de fréquences de 1 kHz, 100 Hz, 10 Hz, 1 Hz et à des tensions de 0 ... ±5 V DC. En quelques millisecondes, le module de mesure de batterie cascadable fournit des informations sur la qualité de l'électrolyte et de l'électrode par rapport aux spécifications du fabricant, par le biais d'applications à un ou plusieurs canaux et de la mesure de la température. Sa conception compacte et ses interfaces de bus de terrain PROFINET et EtherCAT permettent une intégration simple dans la production. Le logiciel PC correspondant pour un paramétrage/configuration intuitif facilite la création de programmes de mesure individuels (voir fig. 3).

Test des connexions à courant élevé

À l'intérieur d'un bloc-batterie, les cellules individuelles doivent être connectées entre elles. Pour ce faire, on utilise des connecteurs de barres rigides, des fils ou des contacts à ressort qui sont pressés, vissés, soudés ou sertis sur les cellules. Il est important que les résistances de contact spécifiées soient respectées avec une grande précision, afin de minimiser la perte de puissance et l'échauffement de la batterie. Avec de grandes quantités de production, les appareils de mesure doivent également avoir des temps d'évaluation très rapides. Avec jusqu'à 100 mesures par seconde, le modèle 2311 RESISTOMAT® de burster est adapté aux exigences des applications à grande vitesse dans le domaine de l'automatisation (voir fig. 4a, b). La méthode de mesure à quatre fils élimine les résistances des fils de test et les résistances de contact. La détection intégrée des circuits ouverts surveille les fils d'essai. Malgré une plage de mesure de 20 mΩ ... 200 kΩ avec une résolution allant jusqu'à 1 μΩ et une précision de mesure de ≤ 0,03 % de la lecture, l'instrument de test réalise des mesures à grande vitesse à partir de 10 ms par mesure, évaluation comprise. Un comparateur à 2 et 4 voies avec sorties de commutation effectue des classifications et des sélections. Tous les paramètres de l'appareil peuvent être configurés individuellement dans un maximum de 32 programmes de mesure différents, en option également via Ethernet, USB (standard) ou des interfaces de bus de terrain (en option). L'enregistreur de données intégré peut stocker jusqu'à 900 valeurs mesurées par programme de mesure.

Déterminer les valeurs de mesure mécaniques

Les paramètres mécaniques sont également importants dans la production de batteries. En mesurant les couples et les forces de serrage, il est possible de s'assurer que les surfaces de contact sont solidement fixées et que la résistance de contact est minimisée. De même, il est nécessaire de mesurer les forces qui s'exercent lors de l'assemblage par pression de contacts à courant élevé sur des circuits imprimés ou lors de l'insertion de cellules individuelles dans des tubes ou des boîtes de retenue. L'enregistrement et la validation des forces d'assemblage révèlent immédiatement tout défaut d'assemblage. La surveillance de l'ajustement serré force/déplacement à l'aide de techniques de fenêtre et d'enveloppe permet, par exemple, d'enregistrer les valeurs de crête min/max et les valeurs de force moyennes dans une plage de tolérance donnée. Ces méthodes d'essai sont faciles à mettre en œuvre avec le contrôleur de processus DIGIFORCE® 9307 X/Y (voir fig. 5). Avec une interface PROFINET, EtherCAT, EtherNet/IP et Ethernet UDP, le module supporte un contrôle de processus flexible et l'acquisition de données de mesure. Jusqu'à 128 programmes de mesure permettent une grande variabilité des produits. Par exemple, lorsque la force/déplacement est surveillée pour l'insertion de plaques cellulaires individuelles / blocs cellulaires dans un boîtier cellulaire, plusieurs unités peuvent toujours être jointes simultanément pour optimiser le temps de cycle, et chaque plaque individuelle peut être mesurée et évaluée à l'aide de contrôleurs DIGIFORCE® montés en cascade.

Surveillance à long terme du comportement d'expansion des cellules de batterie

Mais il n'y a pas que les mesures critiques dans la chaîne de production qui sont importantes. Des appareils de mesure sont également nécessaires pour les mesures en laboratoire du comportement des cellules et des batteries, par exemple dans le cadre du développement ou pour des contrôles ponctuels. Ces appareils peuvent également être utilisés pour obtenir facilement des valeurs de mesure mécaniques pour le contrôle à long terme, par exemple de l'expansion pendant les cycles de charge et de décharge, ou pour déterminer les forces qui se produisent lors du contrôle de la température, ou encore pour optimiser la répartition de la pression et la durée de vie. Grâce à sa petite taille et à ses trois trous de fixation, le capteur de compression burster 8526 est adapté à de telles tâches dans divers domaines d'application (voir fig. 6). Même les erreurs d'angle dans l'application de la charge avec un écart allant jusqu'à 3° par rapport à l'axe de mesure n'ont qu'une influence négligeable sur le résultat de la mesure. Le large choix d'étendues de mesure de 0 ... 100 N à 0 ... 1 MN permet de mesurer avec précision les forces ou l'expansion en fonction de la température - pas seulement pour les éléments de batterie - par exemple lorsque les éléments sont chargés et déchargés. Ceci permet une évaluation précise du comportement à long terme et du processus de vieillissement.

Légendes des images :

Fig. 1a, b : Les cellules de batteries doivent avoir des paramètres aussi identiques que possible (source : burster).

Fig. 2 : Le module tout-en-un 2511 est idéal pour les tests de production automatisés des cellules de batteries lithium-ion, afin de garantir une qualité constante à 100 % en quelques millisecondes (source : burster).

Fig. 3 : Un logiciel PC adapté pour un paramétrage/configuration intuitif facilite la création de programmes de mesure individuels (source : burster).

Fig. 4a, b : Le modèle 2311 RESISTOMAT® est conçu pour répondre aux exigences des applications à grande vitesse dans le domaine de l'automatisation (source : burster).

Fig. 5 : Lors de l'enregistrement et de la validation des forces d'assemblage avec le contrôleur de processus DIGIFORCE® 9307 X/Y, les défauts d'assemblage sont immédiatement détectés (source : fraise).

Fig. 6 : Valeurs mécaniques mesurées pour la surveillance à long terme de l'expansion pendant les cycles de charge et de décharge, ou pour déterminer les forces qui se produisent (source : burster).

(Toutes les images sont disponibles sur le lien)

Boîte de l'entreprise : A propos de burster

burster fournit des techniques de mesure allant des capteurs individuels aux solutions systèmes. Ses clients sont principalement issus de la construction de machines et d'installations, de l'automatisation, de l'industrie automobile et de ses sous-traitants, de l'électrotechnique et de l'électronique, ainsi que de l'industrie chimique. La gamme comprend des instruments de mesure et des testeurs ainsi que des capteurs standard pour les valeurs de mesure mécaniques et électriques, tels que des cellules de charge, des capteurs de pression, de couple et de déplacement, des milli- et mégohmmètres et des boîtes à décades de résistance. En outre, des solutions OEM personnalisées sont possibles, y compris pour de nombreux autres secteurs et marchés futurs tels que l'ingénierie médicale, la biotechnologie et l'e-mobilité. De nombreuses années d'expérience dans la conception et la fabrication d'instruments de mesure et de capteurs garantissent des solutions optimales à chaque fois. Développés et fabriqués en Allemagne, les capteurs burster, les amplificateurs et les modules de transmission, les instruments de précision et les systèmes de mesure pour le traitement des signaux des capteurs sont expédiés à des clients du monde entier.