Les soi-disant tests d'abus montrent dans quelle mesure les batteries restent performantes et sûres lorsqu'elles sont exposées à des influences qui pourraient survenir en dehors de leur fonctionnement prévu. Ces tests extrêmes entraînent généralement une rupture thermique de la batterie. Pour protéger le personnel et l'équipement, il faut un environnement de test approprié, que Weiss Technik a récemment développé. Le rapport explique les résultats des tests bêta.
Des tests comme base pour l'utilisation de batteries
La condition préalable à l'introduction des batteries et à leur utilisation dans les applications automobiles est une série de tests. Les conditions de test sont définies dans des normes et standards nationaux et internationaux. De plus, il existe des directives internes à l'entreprise, surtout dans le domaine de l'industrie automobile, qui peuvent différer des directives de test et essai officielles et qui, outre la certification, servent également à des fins de développement. Les essais de batterie sont effectués au niveau de la cellule, du module, du pack ou du véhicule.
Certains essais sont effectués en dehors de la plage de fonctionnement spécifiée des batteries et servent à prouver leur sécurité et leur intégrité fonctionnelle. Il arrive souvent que la batterie soit soumise à un emballement thermique, ce qui nécessite un environnement de test approprié.
Système de test spécialement développé pour le contrôle destructif des batteries
Le nouvel environnement d'essai conçu par Weiss Technik possède une protection contre les explosions tertiaire qui réduit les effets d'une explosion ou d'une avarie, comme la libération de pression et de chaleur, à un niveau inoffensif. Le caisson d'essai peut résister sans dommage aux avaries de batteries qui se produisent régulièrement (incendie et explosions de gaz) et est certifiée pour une construction résistante aux chocs de pression en même temps que le dispositif de décharge de pression conformément à la directive ATEX (hydrogène, groupe de gaz 2C).
Le système de test se compose essentiellement de trois éléments : mécanisme de décompression, caisson d'essai et rack. Le système de test est conçu de manière modulaire, de sorte qu'il peut être équipé d'options supplémentaires (équipement de test) en fonction des exigences de test.
L'équipement de test sert à effectuer des essais thermiques, mécaniques et électriques. Pour les essais thermiques, le caisson d'essai peut être combiné avec un module de conditionnement d'air externe qui permet de régler les températures souhaitées. Une presse mécanique peut être utilisée pour effectuer des essais mécaniques (par exemple des tests de pénétration ou d'intégrité) à travers la sous-couche. Des passages de paroi spécialement conçues pour les conditions extrêmes, qui permettent de câbler l'objet à tester ou de faire passer des capteurs de mesure dans la caisson d'essai, permettent de réaliser des essais électriques.
De plus, d'autres options supplémentaires seront disponibles à l'avenir pour le système de test, comme par exemple une caméra à haute vitesse, un revêtement intérieur interchangeable (problème de pollution) ou une analyse des gaz. En outre, le développement et la certification d'une zone en aval, comprenant un système intégré de traitement des gaz d'échappement, qui sera reliée à la caisson d'essai et minimisera la propagation de substances nocives dans l'environnement, sont en cours.
Les premières analyses effectuées avec le nouveau système de test sur deux cellules de batterie différentes ou sur un assemblage de cellules sont décrites ci-dessous.
Structure et description des essais
L'image montre la représentation schématique du dispositif expérimental pour les essais de destruction. Le caisson d'essai (ExtremeEvent) est installé dans un laboratoire résistant au feu et à la pression, qui dispose d'une ventilation.
Pendant le contrôle de sécurité destructif, la température est mesurée à la fois dans la salle de contrôle, sur les surfaces des parois et sur l'objet à contrôler. En outre, la pression dans le caisson d'essai est mesurée à deux endroits. Les capteurs de mesure se trouvent dans le caisson d'essai grâce aux traversées de paroi intégrées, ce qui empêche tout échange de chaleur et de matière avec l'environnement.
La figure 3 présente sous forme de tableau les caractéristiques pertinentes de la cellule de batterie étudiée. Un ensemble de six cellules de batterie au total a été utilisé pour l'essai. Concrètement, il s'agit d'une cellule de batterie NMC (composé chimique constitué de nickel-manganèse-cobalt comme matériau actif pour la cathode), qui présente une réaction relativement violente par rapport à d'autres types de cellules.
| Paramètre | Valeur | Unité |
|---|---|---|
| Capacité / groupe de cellules | C=50 / C=300 | Ah |
| État de la charge (State of charge, SOC) | SOC=100% | % |
| Tension nominale | V=3.7 V | V |
| Dimensions (longueur x largeur x hauteur) | 148 x 92 x 27 | mm |
| Taille | m=855 | g |
Les cellules sont maintenues ensemble par une griffe de serrage, comme le montre la figure 4, et chauffées uniformément sur une plaque chauffante (1 kW) jusqu'à ce que la rupture thermique des cellules se produise.
Après une période d'environ 30 minutes, les cellules de la face inférieure (TDUT, en bas) atteignent presque 290 degrés Celsius. Sur la face supérieure, les températures sont à ce moment-là légèrement supérieures à 100 degrés Celsius (TDUT,en haut), voir figure 5. Peu après, il se produit un énorme dégazage (venting) et finalement une rupture thermique.
En l'espace d'environ 25 secondes, cinq cellules se dégazent complètement, le gaz s'enflammant directement en raison de la température élevée des cellules (passage thermique). Une cellule (cellule 02) passe nettement plus tôt (environ 6 minutes) à l'état de passage thermique. Le faible décalage temporel, à l'exception de la cellule 02, est visible sur les courbes de tension ou les chutes de tension U de la figure 6. Deux pics de pression se produisent pendant la traversée thermique des cellules. La pression maximale aux deux points de mesure est d'environ 15 (Pbottom) et 17 mbar (ptop), ce qui active le mécanisme de décompression et provoque l'ouverture partielle des clapets. Pendant la traversée thermique, la température monte au maximum à plus de 660 degrés Celsius sur la partie supérieure des cellules. La température de l'air (TAir) atteint brièvement 435 degrés Celsius, les surfaces intérieures de la paroi latérale ou de la porte de le caisson d'essai atteignent au maximum environ 190 degrés Celsius.
En parallèle, des mesures ont été effectuées avec une cellule unique (type de cellule comparable), laquelle est actuellement en cours de développement et optimisée en termes de performance et de densité énergétique. Avec environ 190 ampères-heures, la capacité est nettement inférieure à celle du réseau de cellules examiné.
Contrairement à l'interconnexion de cellules, dans ce cas, lors de la traversée thermique, la quantité de gaz et de chaleur est libérée au même moment - et n'est pas caractérisée par un décalage temporel comme dans le test précédent (interconnexion de cellules). Ici aussi, la cellule est soumise à un passage thermique au moyen d'une plaque chauffante (1,5 kilowatt), une plaque chauffante étant placée sur chaque côté de la cellule. Le passage thermique présente ici une réaction nettement plus violente, ce qui provoque une explosion spontanée et la désintégration de la cellule. En conséquence, les résultats des mesures montrent que la réaction au caisson d'essai est nettement plus violente. Cela se voit clairement au pic de pression mesuré.