Les modules de batterie des véhicules électriques évoluent dans un environnement thermique plus rude que ce que la plupart des acheteurs imaginent. Un pack peut être confronté à un démarrage par matin glacial, à la chaleur d'une charge rapide, aux températures estivales de la route, aux variations des plaques de refroidissement, au stockage dans un conteneur et à une longue durée de vie dans une plateforme véhicule scellée. Ces changements n'affectent pas seulement les performances des cellules. Ils sollicitent également les soudures, les barres omnibus, les joints, les adhésifs, les pièces d'isolation, les boîtiers des modules, les capteurs et les connecteurs.
Une enceinte de cyclage thermique offre aux ingénieurs spécialistes des batteries un moyen contrôlé de reproduire ces conditions de chaud et de froid avant qu'un module n'atteigne la route. Pour les tests thermiques des batteries de VE, elle aide à révéler les signes précoces de défaillance qui pourraient ne pas apparaître lors d'un simple maintien à haute ou basse température. Une enceinte thermique bien choisie peut soutenir la validation de conception, les contrôles des matériaux entrants, l'échantillonnage en production et le criblage par contrainte thermique pour les modules de batterie utilisés dans les voitures particulières, les véhicules utilitaires, les systèmes de stockage d'énergie et les plateformes électroniques de puissance.
Retour d'expérience de notre client
Les modules de batterie sont construits à partir de nombreux matériaux ayant des coefficients de dilatation différents. Les boîtiers en aluminium, les barres omnibus en cuivre, les languettes en nickel, les supports en plastique, les composés d'enrobage, les produits d'étanchéité, les feuilles isolantes, les pièces de circuits imprimés et les capteurs de température réagissent tous différemment lorsque la température passe du gel à une chaleur élevée. Sur un cycle, le changement peut sembler minime. Sur des centaines de cycles, un petit mouvement devient une fatigue mécanique.
Le criblage par contrainte thermique est utile car il permet de faire apparaître les points faibles plus tôt. Une soudure qui réussit un test électrique initial peut montrer une résistance plus élevée après un cyclage thermique répété du module de batterie. Un joint qui semble stable à température ambiante peut se rétracter à basse température et se ramollir à haute température. Un connecteur peut réussir un test de vibrations mais échouer lorsque la dilatation et la contraction thermiques sont ajoutées.
Pour les fabricants de batteries pour VE, ce type de test ne consiste pas seulement à satisfaire une exigence de laboratoire. Il s'agit de réduire le risque de garantie et de trouver de petits problèmes d'assemblage avant qu'ils ne deviennent des défaillances sur le terrain.
Une enceinte de cyclage thermique modifie la température de l'air autour de l'échantillon selon un profil programmé. Le test comprend normalement un point de basse température, une période de maintien, une montée contrôlée vers un point de haute température, une autre période de maintien, puis un retour à la basse température. Cette séquence est répétée pour le nombre de cycles requis.
Pour le cyclage thermique des modules de batterie, l'enceinte doit faire plus que simplement devenir chaude ou froide. Elle doit maintenir un contrôle stable pendant que l'échantillon lui-même absorbe et libère de la chaleur. Un module lourd, en particulier celui comportant des plaques de refroidissement en métal ou des groupes de cellules denses, a une masse thermique plus importante que les petits composants électroniques. Cela signifie que l'enceinte a besoin d'une capacité de chauffage et de refroidissement suffisante pour suivre la rampe de température requise sans dépassement important.
Les configurations de l'enceinte de cyclage thermique LIB prennent en charge des plages de température de -20℃, -40℃ ou -70℃ jusqu'à +150℃. Cela rend l'équipement adapté aux tests de stockage au froid, au vieillissement à haute température, au cyclage thermique rapide et au criblage par contrainte environnementale. Les vitesses de chauffage et de refroidissement peuvent atteindre 10℃/min, avec 15℃/min disponibles pour des profils plus rapides, selon la configuration. Pour les tests thermiques des batteries de VE, ces chiffres sont importants car des transitions lentes et instables peuvent manquer les conditions de contrainte qui apparaissent lors des changements rapides de température dans le monde réel.
Un bon profil de test commence par un objectif clair. Les équipes de R&D peuvent vouloir comparer deux dispositions de modules. Une équipe qualité peut vouloir cribler des échantillons de production. Un laboratoire d'essais peut avoir besoin de suivre des conditions spécifiées par le client. La même enceinte de test de batterie peut prendre en charge chaque cas, mais le profil de cycle, les points de mesure et les critères d'acceptation doivent être différents.
Avant de charger un module de batterie dans l'enceinte, l'équipe de test doit définir ce que le test doit révéler. Les objectifs courants incluent la vérification de la stabilité des soudures, de la résistance des connexions des barres omnibus, de la fiabilité de l'isolation, de la dérive des capteurs, du comportement des joints ou de la fonction du module après cyclage thermique.
Pour une nouvelle conception de module, le test peut être réalisé avec plus de capteurs et un nombre de cycles plus long. Pour l'échantillonnage en production, l'accent est souvent mis sur la répétabilité, la manipulation rapide et des critères de réussite/échec clairs.
La plage de température doit refléter l'application, l'itinéraire d'expédition et les exigences du client. Un test courant de module de batterie pour VE peut utiliser des points bas tels que -40℃ et des points hauts entre +85℃ et +105℃, selon l'emplacement du module et l'objectif du test. Pour un criblage plus sévère, une capacité d'enceinte plus large jusqu'à +150℃ offre une marge pour les contrôles spéciaux des matériaux, des adhésifs et des composants.
Lorsque les exigences de sécurité du transport sont impliquées, le test thermique UN 38.3 T.2 est souvent discuté pour les cellules et batteries au lithium. Son cycle thermique utilise 72 ± 2℃ pendant au moins 6 heures, suivi de -40 ± 2℃ pendant au moins 6 heures, avec un intervalle de transfert maximum de 30 minutes entre les extrêmes de température. La séquence est répétée pendant 10 cycles, puis l'échantillon est stocké pendant 24 heures à 20 ± 5℃. Les grosses batteries peuvent nécessiter un temps de maintien plus long, généralement 12 heures, selon l'interprétation applicable du test et la taille de l'échantillon. Cela est différent d'un test général de cyclage thermique d'ingénierie, mais cela montre pourquoi la stabilité de l'enceinte et le contrôle du maintien sont importants.
La vitesse de rampe modifie le niveau de contrainte. Un profil de 1℃/min est plus proche d'un changement environnemental lent. Un profil de 5℃/min, 10℃/min ou 15℃/min est plus adapté au cyclage thermique rapide ou au criblage accéléré. Le temps de maintien doit être suffisamment long pour que la température centrale du module de batterie se rapproche de la cible, et pas seulement l'air de l'enceinte.
Le nombre de cycles dépend de l'objectif. Une comparaison précoce de conception peut utiliser 20 à 50 cycles. La validation de la fiabilité peut nécessiter plus de cycles, surtout lorsque le test est combiné à des contrôles électriques avant, pendant et après le cyclage.
Les meilleurs tests de cyclage thermique des modules de batterie recueillent plus que la température de l'enceinte. Les mesures utiles incluent la tension du module, la tension du groupe de cellules, la température de surface, les lectures du capteur du BMS, la résistance d'isolement, la résistance des connecteurs et la déformation visible.
Un port de câble permet aux ingénieurs d'acheminer des fils externes sans ouvrir la porte. L'enceinte de cyclage thermique LIB comprend un trou de test standard de Φ50mm pour les connexions de câbles externes ou d'alimentation électrique, permettant une surveillance en temps réel des performances de l'échantillon tout en maintenant l'enceinte sous contrôle.
Une enceinte thermique est souvent très utile lorsque l'échantillon « fonctionne » encore mais montre des signes d'alerte précoces. Ces signes aident les équipes à réparer une conception ou un processus avant que le problème ne devienne coûteux.
Les joints soudés et les barres omnibus transportent un courant élevé dans un espace compact. Le chauffage et le refroidissement répétés peuvent créer de minuscules mouvements à l'interface de connexion. Après cyclage, une soudure faible peut montrer une résistance plus élevée, un échauffement local ou une fissuration visible. Dans un module à courant élevé, ce n'est pas un petit problème. Une mauvaise connexion peut devenir une source de chaleur et réduire la fiabilité à long terme du pack.
Les joints et les matériaux isolants sont soumis à une dilatation et une contraction répétées. La basse température peut durcir certains polymères, tandis que la haute température peut les ramollir ou accélérer leur vieillissement. Les boîtiers des modules peuvent également montrer un gauchissement si l'épaisseur du matériau, les points de fixation ou les contraintes internes ne sont pas bien équilibrés.
Une enceinte de test de batterie aide à révéler si le module maintient ses performances d'isolation, sa qualité d'étanchéité et son alignement mécanique après une exposition répétée à des cycles de haute et basse température.
Les lectures du BMS doivent rester fiables sous une température changeante. Un capteur de température qui dérive après des cycles répétés peut affecter la logique de gestion thermique. Les connecteurs peuvent également se desserrer ou montrer un contact intermittent lorsque le plastique, les bornes et les fils se dilatent à des rythmes différents.
Pour les tests thermiques des batteries de VE, ces défaillances sont souvent plus importantes que les dommages visibles. Un module peut sembler inchangé de l'extérieur mais présenter un comportement électrique instable.
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Le cyclage thermique et le choc therm
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