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

Introduction à l’EIS

L’analyse de la résistance interne à différentes fréquences d’un système électrochimique, tel qu’une cellule de batterie, une pile à combustible ou un électrolyseur, est appelée spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS). Grâce à cette technique de mesure, il est possible de tester les cellules, les modules et les packs de batteries dans des conditions de charge ou de décharge afin d’observer le comportement et les processus chimiques lorsque la batterie est soumise à des contraintes. Cette technique est également connue sous le nom de spectroscopie d’impédance en ligne ou de spectroscopie d’impédance électrochimique à haute puissance lorsqu’elle est effectuée sur un potentiel de tension et des courants de charge plus élevés dans le cas d’une batterie à 1 ou plusieurs taux C.

Modes de mesure de l’EIS

Cette technique de spectroscopie d’impédance électrochimique génère une excitation de courant de certaines fréquences et mesure la réponse en tension (mode galvanostatique). Il peut également générer des excitations de tension et mesurer la réponse du courant (mode potentiostatique). Le mode galvanostatique garantit que le SoC ne dérive pas pendant la mesure et est donc préférable pour les cellules de batterie. Avec les relevés de tension et de courant, l’impédance complexe peut être calculée.

Implications du déphasage et de l’impédance

Le décalage temporel de la réponse de la tension entraîne un retard de phase de la tension par rapport à l’excitation du courant pendant la mesure de la fréquence. Ce déphasage se traduit par une impédance complexe avec une partie réelle et une partie imaginaire. L’impédance n’est définie que pour les systèmes linéaires. Néanmoins, elle peut être appliquée à un système non linéaire comme une batterie si son impédance peut être considérée comme linéaire et invariante dans le temps (c’est-à-dire la condition LTI), ce qui signifie que l’impédance complexe était linéaire et n’a pas varié dans le temps pendant la mesure, ou du moins était très proche de la linéarité et n’a presque pas varié dans le temps ; c’est généralement le cas lorsque, par exemple, les exigences, 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 l’OCV dépend de l’état de charge (SoC) et de la température. Au fur et à mesure qu’ils changent, le changement de la valeur de référence 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 de l’excitation du courant doit être suffisamment faible pour ne pas influencer le comportement de la cellule, mais suffisamment grande pour fournir une réponse de tension suffisante par rapport au rapport signal-bruit (RSB) du système d’acquisition de données utilisé. Cela signifie que le système DAQ doit avoir un très bon SNR, afin de pouvoir mesurer les plus petits signaux de réponse en tension dans la gamme des mV. Les fréquences les plus intéressantes pour les batteries entières, par exemple, se situent entre 10 mHz et 2 kHz. Cependant, pour les cellules de batterie, les piles à combustible et les électrolyseurs, la gamme de fréquences courante s’étend de 1 mHz à 10 kHz (parfois jusqu’à 20 kHz). Avec, par exemple, 10 pas par décennie en tant que balayage ou mesure multi-sinusoïdale.

Visualisation des données de l’EIS

Après avoir mesuré plusieurs fréquences, l’impédance complexe peut être tracée dans le diagramme caractéristique de Nyquist, dans lequel -Zimg est tracé sur l’axe Y par rapport à Zreal sur l’axe X. Chaque point de ce graphique XY est le résultat d’une fréquence. Une autre visualisation courante est le diagramme de Bode. L’impédance est représentée avec le logarithme de la fréquence sur l’axe X et la valeur absolue de l’impédance ainsi que le déphasage sur l’axe Y.

Diagnostics avancés grâce à l’EIS

Vérifiez la linéarité: Pour les contrôles de qualité, il est utile de tracer le signal de courant sinusoïdal appliqué sur l’axe X et le signal de réponse de tension sur l’axe Y. Comme l’excitation et la réponse sont déphasées, le résultat sera un ovale. Ce tracé est également connu sous le nom de “figure de Lissajous”.

Une autre possibilité de 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 signal de réponse contient des harmoniques du signal d’excitation dans ses spectres. L’amplitude et le nombre d’harmoniques peuvent être utilisés pour évaluer si cette non-linéarité nuit à la qualité et à la précision de la mesure de l’impédance. Un paramètre plus facile à vérifier est la distorsion harmonique totale (THD), qui est un indicateur de l’ampleur de la distorsion harmonique du signal. Cela signifie que le contenu harmonique 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

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

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