Solution EIS innovante pour les systèmes de stockage de batteries de nouvelle génération

Introduction à l’EIS

L’analyse de la résistance interne d’un système électrochimique, tel qu’une cellule de batterie, une pile à combustible ou un électrolyseur, à différentes fréquences est appelée spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS). Grâce à cette technique de mesure, il est possible, par exemple, de tester des cellules, des modules et des packs de batterie dans des conditions de charge ou de décharge afin d’observer leur comportement et les processus chimiques qui se produisent lorsque la batterie est soumise à une contrainte. Cette technique est également appelée « spectroscopie d’impédance en ligne » ou « spectroscopie d’impédance électrochimique à haute puissance » lorsqu’elle est réalisée à des tensions et des courants de charge plus élevés, dans le cas d’une batterie fonctionnant à un taux de charge de 1 C ou à des taux supérieurs.

Modes de mesure de l’EIS

Cette technique de spectroscopie d’impédance électrochimique génère des excitations de courant à certaines fréquences et mesure la réponse en tension (mode galvanostatique). Elle peut également générer des excitations de tension et mesurer la réponse en courant (mode potentiostatique). Le mode galvanostatique garantit que le niveau de charge (SoC) ne subit pas de dérive pendant la mesure et est donc privilégié pour les cellules de batterie. À partir des mesures de tension et de courant, il est possible de calculer l’impédance complexe.

Implications du déphasage et de l’impédance

Le décalage temporel de la réponse en tension entraîne un retard de phase entre la tension et le courant d’excitation lors de la mesure de fréquence. Ce déphasage donne lieu à une impédance complexe comportant une partie réelle et une partie imaginaire. L’impédance n’est définie que pour les systèmes linéaires. Elle peut néanmoins s’appliquer à un système non linéaire, tel qu’une batterie, si son impédance peut être considérée comme linéaire et invariante dans le temps (c’est-à-dire condition LTI (linéaire et invariante dans le temps)), ce qui signifie que l’impédance complexe était linéaire et ne variait pas au cours de la mesure, ou du moins qu’elle était très proche de la linéarité et ne variait pratiquement pas au cours de la mesure ; c’est généralement le cas lorsque, par exemple, les conditions suivantes, entre autres, sont remplies :

• La température de la cellule ne varie pas trop au cours d’une mesure.
• La tension en circuit ouvert (OCV) ne varie pas trop au cours d’une mesure.

Défis et solutions pratiques

En réalité, la température d’une cellule varie en fonction du courant de charge ou de décharge, et la tension en circuit ouvert (OCV) dépend de l’état de charge (SoC) et de la température. À mesure que ces paramètres évoluent, une variation de la tension en circuit ouvert (OCV) est inévitable.

Cependant, des mesures précises et répétitives du SOC et de la température de la cellule après chaque mesure peuvent aider à évaluer dans quelle mesure ces changements interfèrent avec la qualité et la précision de la mesure de l’impédance.

Considérations techniques pour une EIS efficace

L’amplitude du courant d’excitation doit être suffisamment faible pour ne pas influencer le comportement de la cellule, mais suffisamment élevée pour fournir une réponse en tension suffisante au regard du rapport signal/bruit (SNR) du système d’acquisition de données utilisé. Cela signifie que le système d’acquisition de données doit présenter un très bon rapport signal/bruit (SNR) afin de pouvoir mesurer les signaux de réponse en tension les plus infimes, de l’ordre du mV. Les fréquences les plus pertinentes pour les packs de batteries complets, par exemple, se situent entre 10 mHz et 2 kHz. En revanche, pour les cellules de batterie, les piles à combustible et les électrolyseurs, la plage de fréquences courante s’étend de 1 mHz à 10 kHz (parfois jusqu’à 20 kHz). Avec, par exemple, 10 pas par décade pour une mesure par balayage ou multisinus.

Visualisation des données de l’EIS

Après avoir mesuré plusieurs fréquences, l’impédance complexe peut être représentée sur le diagramme de Nyquist caractéristique, dans lequel -Zimg est représenté sur l’axe des Y et Zreal sur l’axe des X. Chaque point de ce diagramme XY correspond au résultat d’une fréquence. Le diagramme de Bode constitue une autre méthode de visualisation courante. L’impédance est représentée avec la fréquence logarithmique sur l’axe des X et, sur l’axe des Y, à la fois la valeur absolue de l’impédance et le déphasage.

Diagnostics avancés grâce à l’EIS

Vérification de la linéarité: dans le cadre des contrôles de qualité, il est utile de tracer le signal de courant sinusoïdal appliqué sur l’axe des X et le signal de réponse en tension sur l’axe des Y. L’excitation et la réponse étant déphasées, le résultat prendra la forme d’un ovale. Ce tracé est également connu sous le nom de « figure de Lissajous ».

Une autre possibilité pour vérifier la linéarité du système consiste à tracer une FFT du signal d’excitation et du signal de réponse correspondant. Lorsque le système est non linéaire, le spectre du signal de réponse contient des harmoniques du signal d’excitation. L’amplitude et le nombre d’harmoniques peuvent être utilisés pour évaluer si cette non-linéarité affecte la qualité et la précision de la mesure d’impédance. Un paramètre plus facile à vérifier est la distorsion harmonique totale (THD), qui indique dans quelle mesure les harmoniques déforment le signal. Cela signifie dans quelle mesure la teneur en harmoniques influence la fréquence fondamentale.

Comment mesurer des signaux d’impédance sur un potentiel électrique élevé ?

• Les signaux de courant et de tension doivent être enregistrés de manière synchrone et à un potentiel électrique élevé.
• Meilleure qualité de signal grâce à la nouvelle carte de mesure des signaux EIS (Q.series X A193)

La solution EIS tout-en-un

La solution EIS tout-en-un de Gantner Instruments répond aux exigences de la spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) grâce à sa conception robuste et à ses caractéristiques techniques avancées. Le système comprend un module Q.series X A193 haute performance, conçu pour les applications industrielles et de haute puissance, avec des capacités d’amplification du signal et de mesure du décalage qui améliorent la sensibilité et la sélectivité des mesures d’impédance. La plage de mesure de la tension et la flexibilité de la mesure du courant, soutenues par une isolation galvanique robuste, garantissent une collecte de données précise et fiable pour diverses applications, y compris des batteries entières. La collecte synchrone des signaux maintient la cohérence et la précision des données, en utilisant le Lock-In pour isoler les fréquences et les phases spécifiques des signaux, ce qui est essentiel pour détecter les signaux faibles dans les environnements bruyants. La large gamme de fréquences du système, de 1 mHz à 10 kHz, et sa configuration modulaire, extensible jusqu’à 128 canaux EIS, lui permettent de répondre à diverses exigences en matière d’essais électrochimiques. L’accessibilité des données et les outils de visualisation en temps réel, y compris les tracés de Nyquist et de Bode, facilitent l’analyse détaillée et le retour d’information immédiat. Des options de connectivité avancées, telles qu’une API ouverte et une interface EtherCAT, garantissent une intégration transparente avec les systèmes d’alimentation et les installations d’automatisation existants. Des caractéristiques supplémentaires telles que des entrées de thermocouple à haute isolation, des canaux de mesure de la température et un déflecteur d’air pour la gestion de la chaleur améliorent encore les performances et la fiabilité du système, faisant de la solution EIS de Gantner un outil complet et efficace pour l’optimisation des batteries, des piles à combustible et des électrolyseurs.

Caractéristiques techniques Q.series X A193

• Module DAQ A193
  • Synchronisation et rapport signal/bruit les meilleurs de leur catégorie
  • 4 entrées de tension +/-5 V, 100 kHz
  • 1 Entrée pour les mesures de courant (+/-5 V, 100 kHz)
  • 800 VDC de canal à canal, de canal à alimentation et de canal à bus
• Conversion analogique/numérique
  • Résolution : 24 bits
  • Taux d’échantillonnage : 100 kHz par canal
  • Synchronisation complète sigma-delta échantillon par échantillon
  • Filtres numériques : Réponse impulsionnelle infinie (IIR), passe-bas, passe-haut, Butterworth ou Bessel (2e, 4e, 6e ou 8e ordre), plage de fréquences de 0,1 Hz à 10 kHz (réglable par logiciel).
  • Calcul de la moyenne : configurable ou automatique en fonction du débit de données sélectionné

---

EIS pour la surveillance des cheminées d’électrolyseurs de grande puissance

Cette étude de cas examine une application concrète de la technologie avancée de spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) multicanaux de Gantner Instruments, destinée à la surveillance et à l’optimisation des piles d’électrolyseurs à haute puissance. Elle offre un aperçu approfondi de notre approche innovante, tout en détaillant les défis relevés et les résultats impressionnants obtenus. Acquérez des connaissances précieuses sur l’optimisation des performances des électrolyseurs et l’allongement de leur durée de vie opérationnelle grâce à la technologie EIS de pointe.