L’augmentation de la demande de batteries lithium-ion à haute densité énergétique a conduit à l’analyse des décharges à haute intensité (consommation de courant élevée) dans diverses applications. Cependant, ces décharges à haute intensité posent des défis importants en termes de performances et de sécurité des batteries. L’étude exploratoire présentée ici vise à étudier les mécanismes de détection précoce des défaillances des dispositifs d’interruption de courant dans les batteries lithium-ion 18650 soumises à des décharges allant jusqu’à 16C. Le dispositif expérimental contrôlé induit une décharge de 40 ampères sur une seule cellule 18650 Lithium – Nickel – Cobalt – Oxyde d’Aluminium. Grâce à des techniques de corrélation d’images numériques, les modifications structurelles de la batterie sont surveillées pendant la décharge, identifiant les déformations et les contraintes subtiles comme précurseurs potentiels de défaillance. Ces données, associées aux mesures de tension et de température, offrent une compréhension plus complète des performances de la batterie dans des conditions extrêmes, ouvrant la voie à de futures méthodes visant à améliorer les protocoles de sécurité pour les décharges à haute intensité. Retour sur cette étude de cas à laquelle a pris part notre partenaire Correlated Solutions.
Sommaire – Avec accès direct aux rubriques de l’article
- Détails techniques du test
- Introduction aux tests sur les batteries lithium-ion
- La fiabilité des dispositifs d’interruption de courant (CID) en question
- La corrélation d'images numériques, la solution sans contact...
- Zoom sur ce test sur batteries d’un point de vue de la corrélation d’images numériques
Détails techniques du test
Batterie : 18650 – 2500 mAh – 20 A
Système de test de batterie : NHR 9200
Système de corrélation d’images numériques (DIC) : VIC-3D avec caméras 5 MP, objectifs 50 mm, kit d’éclairage LED 1050
Lieu du test : Laboratoire de systèmes adaptatifs en temps réel (ARTS), Faculté d’ingénierie et d’informatique de l’Université de Caroline du Sud
Introduction aux tests sur les batteries lithium-ion
Notre partenaire Correlated Solutions a récemment participé à un important projet de recherche au sein de la Faculté d’ingénierie et d’informatique de l’Université de Caroline du Sud, avec des membres du groupe de recherche du Dr Austin Downey. Ces derniers étudient les paramètres de dégradation des batteries lithium-ion à décharge rapide au sein du laboratoire ARTS (Adaptive Real-Time Systems).
Dans certains cas, notamment dans les applications de défense et d’aérospatiale, il est nécessaire de pousser les performances des batteries à leurs extrêmes limites. L’équipe du Dr Downey, avec le soutien de la NSF et du Laboratoire de recherche de l’armée de l’air, utilise un système de test sur batteries NHR 9200 afin d’étudier les caractéristiques des matériaux d’une batterie 18650 2500 mAh 20 A en décharge rapide.
La fiabilité des dispositifs d’interruption de courant (CID) en question
Les dispositifs d’interruption de courant ou CID jouent un rôle important dans la sécurité des applications de batteries hautes performances en interrompant le flux de courant lorsqu’il dépasse une limite de sécurité prédéterminée. Cela empêche la surchauffe des cellules de batterie, susceptible d’entraîner des dommages, un incendie, voire même une explosion. Cette protection permet donc d’éviter une défaillance catastrophique dans les batteries hautes performances qui sont conçues pour délivrer très rapidement de grandes quantités de courant.
Généralement, lorsque les batteries sont soumises à de fortes contraintes, les électrolytes qu’elles contiennent s’évaporent, créant une pression interne avant le déclenchement du CID. Lors des premières phases de la recherche, des jauges de contrainte ont été déployées pour mesurer cette charge. Cependant, la petite taille des jauges de contrainte a compliqué la fixation des capteurs et la zone de mesure limitée s’est avérée prohibitive pour atteindre les objectifs du test.
La corrélation d'images numériques, la solution sans contact pour fournir les données de contrainte et de déformation nécessaires
L’équipe avait besoin des données de contrainte et de déformation plein champ sans contact fournies par le système de corrélation d’images numériques VIC-3D. Le système DIC a été capable de fournir des mesures de déplacement et de contrainte plein champ dans des conditions de décharge extrêmes afin d’identifier précisément la variation de rayon de la batterie précédant immédiatement le déclenchement du CID basé sur la pression.
Le système DIC comprenait deux caméras de 5 MP avec des objectifs de 50 mm et le kit d’éclairage LED standard 1050 avec polariseurs linéaires pour réduire les reflets. Une fois les caméras et la batterie installées, le système a été calibré à l’aide d’une cible d’étalonnage de 5 mm.
Le déclenchement du CID rendant la batterie inutilisable, il est nécessaire de comprendre les paramètres de dégradation des batteries Li-ion à l’approche de leur point de défaillance.
Cette étude marque une étape importante dans le développement des futures applications de batteries et Correlated Solutions est fier d’y avoir contribué.
NB : Ceci est une simulation. Le temps de calcul dépend du matériel informatique.
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Zoom sur ce test sur batteries d’un point de vue de la corrélation d’images numériques
La zone d’intérêt (ou AOI pour Area of Interest) a été définie spécifiquement pour mesurer la déformation circonférentielle (hoop strain) de la batterie à mesure que la pression augmentait et que le diamètre se modifiait. Par conséquent, le capuchon de la batterie a été exclu. Une inspection minutieuse a révélé un petit artefact à la surface de la batterie. L’AOI a donc été ajustée afin d’éliminer tout résultat artificiel. Avec une taille de sous-ensemble de 45 × 45 pixels et un pas d’analyse de 5 px, plus de 700 paires d’images mouchetées ont ensuite été analysées.
Une fois l’analyse terminée, les données peuvent être visualisées sous forme de tracé 3D et de superposition 2D sur le motif de mouchetis. Les champs de vecteurs des résultats peuvent être modifiés, et diverses autres fonctionnalités techniques et graphiques sont accessibles.
En raison de la forme cylindrique de la batterie, VIC-3D applique une transformation cylindrique afin de déterminer l’axe z central du cylindre ainsi que les rayons correspondants à chaque point. Le ΔR en chaque point est calculé à mesure que la batterie chauffe et que la pression augmente. L’application d’une transformation cylindrique entraîne également une transformation cartésienne, de manière à aligner parfaitement l’axe du cylindre sur l’axe y.
Ce test bénéficie aussi de l’outil Remove Rigid Motion de VIC-3D, qui soustrait les déplacements rigides des images déformées, ne laissant apparaître que les composantes de déplacement dues à la déformation. Après ces opérations, la déformation est recalculée, de sorte que Exx représente la déformation circonférentielle (hoop strain), tandis que Eyy représente la déformation axiale.
Une fois les calculs effectués, il est possible d’utiliser « iris », le puissant moteur de visualisation de données . Cet outil permet de juxtaposer rapidement et simplement des tracés 2D, 3D, des courbes, des images et des données analogiques dans une même présentation, afin d’afficher des résultats complexes de DIC de manière claire et visuellement attractive. La vidéo située ci-dessus a été exportée directement depuis VIC-3D au format .mp4.
Source : « Étude exploratoire de la détection précoce des défaillances induites par décharge à haute température dans les batteries lithium-ion 18650 par corrélation d’images numériques 3D”
George Anthony, Connor Madden, Emmanuel Ogunniyi, Austin R.J. Downey, Ryan Limbaugh, Jarrett Peskar, Jingjing Bao et Xinyu Huang
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