Essais & Simulations 150

DOSSIER Le secret de

DOSSIER Le secret de l’efficience des UNE MESURE PRÉCISE DES Pour vous plaquer dans le siège lorsque vous rétrogradez rapidement en appuyant sur la « pédale d’accélérateur » d’une voiture de sport électrique, le bloc-batteries haute tension doit délivrer un courant élevé au moteur électrique. Cela implique l’utilisation de batteries à faible résistance – et une technologie de mesure appropriée. Comme bien souvent, tout commença par une coïncidence : au milieu des années 80, le fabricant japonais d’équipements de test et de mesure HIOKI a développé un milliohmmètre à courant alternatif qui permettait d’obtenir une meilleure mesure de la résistance de contact des interrupteurs et des relais en comparaison aux milliohmmètres à courant continu employés auparavant. Sur ce nouveau dispositif, HIOKI a également isolé galvaniquement le dispositif testé du circuit de mesure, rendant les mesures indépendantes de tout potentiel électrique entre les deux points de mesure. À peu près à la même époque, le chercheur japonais Akira Yoshino est parvenu à perfectionner l’accumulateur au lithium et au dioxyde de cobalt, développé par John B. Goodenough, en vue de sa commercialisation. Pour mesurer la résistance de ces nouveaux accumulateurs, la procédure de mesure en courant alternatif s’est avérée particulièrement adaptée, car les différents potentiels électriques entre les deux pôles nécessitaient une isolation galvanique entre le dispositif testé et le circuit de mesure. Ainsi, « l’AC mΩ Hi Tester 3225 », développé à l’origine pour mesurer la résistance de contact, a été le début d’une histoire à succès pour HIOKI dans le secteur des batteries lithium-ion, qui dure maintenant depuis plus de 35 ans. Le milliohmmètre original se décline aujourd’hui en une famille entière de testeurs de batterie, qui permettent de mesurer les éléments, modules et bloc-batteries. L’IMPORTANCE D’UNE FAIBLE RÉSISTANCE Au cours de la production des éléments ou batteries lithium-ion, le testeur de batteries n’est employé qu’à un stade plutôt tardif. Les valeurs de résistance, en revanche, sont vérifiées beaucoup plus tôt au cours du processus, car il est essentiel pour la qualité de la batterie de s’assurer que les valeurs de résistance sont aussi faibles que possible et, idéalement, toujours les mêmes. Il y a deux raisons principales à cela. D’une part, un système de batterie nécessite une faible résistance globale pour vous plaquer dans le siège lorsque vous rétrogradez rapidement en appuyant sur la pédale d’accélérateur d’une voiture de sport électrique, par exemple. En effet, le bloc-batteries haute tension doit être capable de délivrer un courant élevé au moteur électrique. La loi d’Ohm explique très simplement le rapport avec la résistance. Si nous convertissons V = RI en I = V/R, nous constatons qu’une faible résistance R pour une même tension V implique une intensité I élevée. D’autre part, chaque résistance au sein d’un système de batterie provoque une perte d’énergie électrique sous forme d’énergie thermique. Il ne s’agit pas d’un phénomène spécifique aux batteries, mais d’un phénomène qui remonte à la loi générale de l’effet Joule, également connue sous le nom de « première loi de Joule ». La puissance électrique dissipée au niveau de la résistance peut être décrite de manière traditionnelle avec P= VI. Si vous remplacez la tension « V » par « RI » de la loi d’Ohm mentionnée plus haut, vous obtenez P = VI = (RI)I = RI². Vous pouvez voir à quel point la perte de puissance P augmente lorsque la résistance R augmente. COURANT ALTERNATIF OU COURANT CONTINU ? Pendant la mesure de la résistance, en particulier sur les batteries, on distingue deux méthodes de mesure : la mesure en Comparaison de la mesure de la résistance en courant alternatif et en courant continu 46 I ESSAIS & SIMULATIONS • N°150 • Septembre - Octobre - Novembre 2022

DOSSIER batteries haute tension FAIBLES VALEURS DE RÉSISTANCE courant alternatif et la mesure en courant continu. Dans ce cas, la mesure de la résistance en courant continu ne fait pas référence à la mesure en courant continu de la résistance interne d’une batterie, où la résistance interne est déterminée par la variation de tension pendant la décharge de la batterie avec une charge. Ici, la mesure en courant continu fait référence à la mesure de la résistance avec une méthode de mesure à 4 fils et est employée, par exemple, pour mesurer la résistance de contact. Cette méthode est appliquée aux multimètres, ohmmètres (CC) ou testeurs d’isolation, par exemple. La méthode de mesure en courant alternatif, quant à elle, est employée dans les testeurs de batterie ou les ponts RLC. TEST DES ÉLECTRODES Si vous examinez le processus de fabrication d’une batterie lithium-ion dans l’ordre chronologique, une importante mesure de la résistance électrique en courant continu est effectuée à un stade précoce après que les électrodes aient été enduites avec la matière active. Au cours de ce procédé, le matériau allié au lithium est appliqué, sous pression et à des températures appropriées, sur le matériau de l’électrode. La mesure de la résistance permet ensuite de déterminer la résistance électrique spécifique de la matière active appliquée et la résistance de contact entre la matière active et l’électrode. Il y a quelques années, il n’était toutefois pas encore facile de déterminer ces deux valeurs séparément : la mesure de la résistance de contact entre la matière active et le matériau de l’électrode constituait un défi particulier. Cela a changé avec la commercialisation d’un nouveau système de mesure de la résistance des électrodes : le RM2610 de la marque HIOKI. Le RM2610 de la marque HIOKI est principalement un ohmètre en courant continu. Cependant, au lieu d’une mesure traditionnelle à 4 fils, le RM2610 fonctionne avec une sonde à l’intérieur de laquelle 46 contacts à ressort, disposés sur une surface totale de 1 mm 2 . Pendant la mesure, une série de mesures de la résistance en courant continu est réalisée entre les contacts. Sur la base de ces résultats de mesure, la résistivité de la matière active et la résistance de contact entre la matière active et l’électrode sont calculées sur la base d’un modèle mathématique et des paramètres connus. Les paramètres connus sont les grandeurs qui se déterminent facilement, c.-à-d. l’épaisseur du matériau de l’électrode, l’épaisseur de la couche de matière active et la conductivité électrique du matériau de l’électrode. L’anode est habituellement fabriquée en cuivre, tandis que la cathode est habituellement fabriquée en aluminium. Le cuivre ne peut pas être utilisé comme matériau pour la cathode, car il y corroderait. L’aluminium, quant à lui, ne convient pas comme matériau pour l’anode, car il réagit au contact du lithium. Même si le RM2610 est maintenant souvent employé comme testeur dans la production d’éléments lithium-ion, il a en fait été conçu en vue d’une utilisation dans les départements de développement. L’objectif était de raccourcir le processus de développement des éléments avec de nouveaux matériaux en permettant aux développeurs d’évaluer la qualité attendue de l’élément fini déjà après la fabrication des électrodes revêtues. Ce procédé était si révolutionnaire et permettait une telle amélioration du processus que le système de mesure de la résistance des électrodes de la marque HIOKI était déjà employé par des dizaines de clients en Asie alors qu’il ne s’agissait encore que d’un prototype. RÉSISTANCE DE POINT DE SOUDURE Pour déterminer la résistance de contact des points de soudure, on emploie la méthode traditionnelle de mesure de la résistance en courant continu à 4 fils. Peu importe que ces points de soudure soient employés pour fixer des bornes d’alimentation sur un élément « pouch » ou pour raccorder un élément à une barre omnibus, la résistance de contact devrait toujours être contrôlée afin d’éviter les effets thermiques dépendantes de la résistance à ces points. Les mesures de la résistance en courant continu à 4 fils peuvent être effectuées avec la quasi-totalité des multimètres numériques destinés à une utilisation en laboratoire ou dans l’industrie. Cependant, lorsqu’il s’agit de mesurer la résistance de contact durant la production, il est indispensable, pour plusieurs raisons importantes, d’effectuer la mesure avec un ohmmètre spécialement conçu à cet effet. La première raison importante est la plage de mesure de la résistance. Avec un multimètre numérique courant, et sans le moindre doute haut de gamme, affichant 7,5 chiffres de l’une des plus grandes marques, la plus petite plage de mesure de la résistance s’élève à 1 Ω. Au premier abord, cela semble impressionnant, mais la résistance de contact des points de soudure pour les batteries lithium-ion devrait, dans l’idéal, être inférieure à 0,1 mΩ. L’ohmmètre RM3545 de la marque HIOKI répond facilement à cette exigence avec sa plus petite plage de mesure d’à peine 10 mΩ avec une résolution de 0,01 µΩ. ESSAIS & SIMULATIONS • N°150 • Septembre - Octobre - Novembre 2022 I47