Essai des batteries mécaniques au moyen de capteurs de force

1 Motivation

Les batteries en tant que sources de puissance pour les véhicules motorisés sont basées sur des systèmes lithium-ion avec les ensembles lithium-ion ayant généralement des anodes en graphite. Durant le processus de chargement, les ions lithium sont stockés dans le graphite, entraînant une augmentation de volume.

En 2014, Florian Grimsmann [1] a décrit une méthode permettant de mesurer un changement de l’épaisseur de l’ensemble au cours des processus de charge et de décharge. Il a également mesuré avec succès les changements dans les dimensions des ensembles de batterie en raison de changements d’épaisseur irréversibles à des températures très faibles ou à des courants de charge élevés.

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Charger et décharger les accumulateurs lithium-ion donne donc lieu à des effets mécaniques réversibles et irréversibles. Outre la mesure des changements dans les dimensions des éléments de batterie, la mesure des forces résultant des cycles de charge et de décharge et l’effet du placage de lithium sont devenus prioritaires.

Des capteurs fiables qui fonctionnent en toute sécurité, même dans des conditions climatiques défavorables, sont disponibles pour procéder à une mesure fiable de ces forces – même sur de très longues périodes. L’élément de batterie testé est monté en série avec le capteur de force.

2 Conditions de base des essais de batterie

L’essai mécanique des batteries se déroule souvent à des conditions de température définies avec précision. Des températures inférieures à 0 °C ou 80 °C peuvent également être atteintes dans les chambres climatiques.

Fig. 1 : Conception de base d’une configuration type pour mesurer l’effet de la force sur les ensembles de batterie

Outre de la force, de la chaleur est également générée dans les ensembles durant les cycles de charge et de décharge. Par conséquent, l’effet d’un gradient de température sur le capteur de force doit être attendu, vu qu’il est en contact mécanique direct avec les échantillons mis à l’essai. Les essais peuvent être réalisés pendant très longtemps sans possibilité d’exécution du point zéro de la chaîne de mesure. De légers changements de force doivent être détectés avec fiabilité, rendant une faible incertitude des mesures très importante.

D’autres variables mesurées, telles que le courant et la tension du côté électrique et la mesure du déplacement (déformation des ensembles), sont généralement aussi enregistrées. Les informations concernant la température sont également importantes.

La configuration mécanique typique consiste en un cadre de force. L’ensemble testé est généralement raccordé mécaniquement à un capteur de force afin de permettre une mesure de la force. Des exigences élevées doivent être posées à la rigidité du cadre. La figure ci-dessous présente une configuration type.

3 capteurs de force de cisaillement à symétrie radiale (série U10M et C10 HBK)

En se basant sur l’exemple d’un capteur de force U10M, l’organe de mesure d’un capteur de force de cisaillement à symétrie radiale est illustré dans une photo et en tant que modèle FEM dans la figure 2.

Une force est introduite dans le filetage central intérieur de l’U10M [1] et est transmise à la bride extérieure [3] via les maillons [2]. Cette bride extérieure est soit vissée sur l’adaptateur, soit montée directement sur un élément de construction (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 découvrir les détails.

Fig. 3 : Capteur de force de cisaillement à symétrie radiale C10 pour forces de compression. Versions avec un adaptateur vissé sur le pied (gauche) et en tant que bride de mesure (capteurs du côté droit)

L’application de force exerce une tension mécanique sur les maillons, qui résulte à son tour en une contrainte. Les jauges de contrainte sont installées sous un angle de 45 degrés afin de mesurer la contrainte résultant de l’effort de cisaillement. Le champ de contrainte est illustré dans le diagramme à la figure 4. Peu importe où se produit la contrainte dans la zone de la grille de mesure, ce qui est bénéfique pour l’utilisation de jauges de contrainte.

Il n’y a pas de maximums de contrainte distincts, comme nous l’apprennent d’autres principes d’organe de mesure. La contrainte la plus élevée endommage les jauges de contrainte. Le champ de contrainte, qui peut être obtenu selon le principe de la force de cisaillement, est par conséquent particulièrement favorable.

Le modèle FEM montre que, lorsqu’une force est appliquée, une déformation se produit uniquement dans les zones où les jauges de contrainte sont installées (Fig. 2 image de droite) – toutes les autres contraintes mécaniques sont inférieures. Les contraintes plus élevées sont indiquées par la couleur rouge, le bleu indiquant l’absence de tension mécanique ou une tension mécanique faible. Comme on peut le voir, les déformations sont concentrées sur la zone où les jauges de contrainte sont installées. D'une manière générale, la déformation sous charge est très faible. Vu que la rigidité est obtenue à partir du rapport de force et de déplacement (c.-à-d. la déformation sous force), les capteurs de force de cisaillement à symétrie radiale atteignent une rigidité très élevée ou, en d’autres termes, une déformation minimale sous charge.

HBK utilise uniquement des jauges de contrainte au nickel-chrome dans ces capteurs de force, au lieu des jauges de contrainte en constantan habituelles. Le constantan offre des avantages en termes de coût ; cependant, le nickel-chrome a une plus grande sensibilité et une bien meilleure absence de dérive. Le point zéro du capteur de force reste très stable pendant une période prolongée.

Fig. 4 : Capteur de force de cisaillement à symétrie radiale : Champ de contrainte dans la zone des grilles de mesure des jauges de contrainte installées.

Fig. 5 : Capteur de force de cisaillement à symétrie radiale : Stabilité prolongée à température plus élevée (40 °C). À l’issue de la période 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 exécution du point zéro.

La sensibilité accrue et le champ de contrainte favorable permettent des signaux de sortie très élevés de plus de 4 mV/V pour de nombreux modèles et, par conséquent, une influence relativement faible de la température et de la dérive.

La conception permet la soudure du capteur. Cela le scelle hermétiquement et lui confère une excellente stabilité en termes de propriétés métrologiques.

HBK a réalisé des essais internes complexes en vue de prouver la stabilité des capteurs, et il a été démontré que la dérive typique du point zéro est d’environ 200 ppm (de la valeur à échelle réelle) sur 700 heures. Après une dérive d’activation, les capteurs de force montrent un changement minime au niveau du signal zéro, même à des températures plus élevées, ce qui, à son tour, permet des mesures de force non altérées.

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

Comme décrit ci-dessus, les essais sont réalisés sur une longue période dans des conditions strictes. Le profil d’exigence est le suivant :

Rigidité de capteur élevée
Faible dérive du point zéro, même sur des longues périodes d’essai et à des températures plus élevées
Insensible aux gradients de température
Fermeture hermétique en vue de minimiser les influences environnementales (p. ex. en raison de la condensation)
Excellente précision même avec des variations de force minimales

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

Rigidité : Les capteurs de force de cisaillement ont un déplacement très faible afin de garantir que l’influence du capteur sur le résultat est plus faible que l’influence sur l’installation restante.

Faible dérive : Les capteurs C10 ont un signal de sortie de 4 mV/V, de sorte que l’influence de la dérive est faible, parce que l’influence de la dérive doit être évaluée par rapport à la valeur à échelle réelle. Les jauges de contrainte sont en outre basées sur le CrNi et peuvent donc être particulièrement bien stabilisées, ce qui résulte en une excellente stabilité du point zéro. Un rapport ciblé qui aidera à estimer la dérive sur un an peut être fourni sur demande.

Insensible aux gradients de température : Les capteurs de force de cisaillement de HBK, c.-à-d. les modèles U10 et C10, sont équipés de huit jauges de contrainte par pont. Ces jauges de contrainte sont installées sur quatre poutres de cisaillement (positions 1-4 dans la Fig. 6). Deux jauges de contrainte sont toujours installées l’une en face de l’autre, une mesurant la contrainte positive et l’autre la contrainte négative. L’avantage est que l’influence de la température sur chaque maillon est compensée pour s’assurer que le capteur est particulièrement insensible aux gradients de température.

Une fermeture hermétique est garantie, comme tous les C10 avec des forces nominales supérieures à 10 kN sont soudés et atteignent un indice de protection IP68 avec l’option « câble intégré en permanence » et ils fonctionnent de manière stable même s'ils sont affectés par des niveaux élevés d’humidité. Avec des classes de précision de 0,02 ou 0,05, les capteurs de force C10 sont parmi les plus précis de leur catégorie.

Fig. 6 : Positions des jauges de contrainte dans un U10/C10. Une jauge de contrainte, chacune mesurant une force positive et négative, est située dans les positions 1-4. Les jauges de contrainte sont collées dans les orifices. Il est aisé de voir que les tensions mécaniques sous charge surviennent uniquement dans les zones où les jauges de contrainte sont installées (zones rouges au niveau des maillons).

5 Évaluation de l’incertitude de mesure

Un essai avec un capteur de force C10 dans des conditions de température constantes de 40 °C sur 500 jours sera examiné ci-dessous.

Veuillez noter les paramètres de capteur suivants :

Hystérésis : 0,04 % de F_nom

Linéarité : 0,035 % de F_nom

Erreur de sensibilité : 0,1 % de la lecture, avec puissance nominale ajustée

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

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

Dérive/an : Selon les analyses internes de HBK, 0,1 %/an

Glissement relatif sur 30 minutes : 0,02 % de la lecture

Conditions ambiantes

Conditions de température :

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

Application de force :

Introduction centrale de force avec une très faible tolérance

Prenons un scénario avec une réponse de force qui augmente de manière linéaire pendant le cycle d’essai, en démarrant avec des forces d’environ 100 N jusqu’à des forces de 100 kN. Un capteur de force C10/100KN de HBK est utilisé.

Il est par conséquent nécessaire de calculer l’erreur à différents points de la réponse temps-force. Pour que le modèle reste simple, nous avons supposé une augmentation de force linéaire (0 N le premier jour, 100 kN après 500 jours).

Les erreurs individuelles pertinentes ont été documentées dans le tableau présenté dans la Figure 7.

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

Fig. 7 : Feuille de calcul pour calculer l’incertitude de mesure à un moment donné de l’essai (20 kN après 100 jours). Hormis les erreurs de température, la dérive du capteur, l’erreur de linéarité et l’incertitude de la sensibilité sont examinées. Ce calcul est répété pour plusieurs points sur le même axe temporel.

Ce calcul peut à présent être répété pour tous les points de mesure. Le résultat est présenté dans le tableau ci-dessous. En particulier, une erreur de mesure d’environ 1 % par rapport à la valeur mesurée peut être obtenue, même dans ces conditions de mesure difficiles. Cela s’applique à la valeur de force absolue. Des variations de force (p. ex. du cycle de charge au cycle de décharge) peuvent être détectées avec une précision plus élevée.

D'une part, l’incertitude de mesure augmente parce que la dérive due à des raisons physiques doit être prise en compte. D’autre part, la force augmente, de sorte que l’influence relative sur le signal de mesure diminue dans les conditions sélectionnées ici.

Fig. 8 : Tableau des résultats de l’analyse de l’incertitude de mesure avec une augmentation linéaire de la force sur 500 jours de 100 N à 100 kN

6 Conclusion

Pour les mesures des forces à long terme sur les batteries, des exigences élevées doivent être posées au capteur étant donné que la défaillance du capteur de force pendant les périodes d’essai prolongées peut retarder les projets et engendrer des coûts considérables. Des capteurs de force de cisaillement fermés hermétiquement – comme le C10 de HBK avec un signal de sortie élevé et une précision très élevée – sont disponibles et répondent aux exigences spécifiées en toute sécurité.