Le Battery Innovation Center (Centre pour l’innovation des batteries) utilise l’imagerie thermique à grande vitesse pour les tests de dépassement des limites des batteries.

Le Battery Innovation Center (BIC), situé à Newberry, dans l’Indiana, est une organisation collaborative à but non lucratif qui se concentre sur le développement, les tests, la validation et la commercialisation rapides de batteries sûres, fiables et légères pour les clients commerciaux et de défense. Une partie de son processus de test comprend des tests abusifs approfondis, exposant les batteries au pire scénario pour déterminer et résoudre les problèmes de sécurité qui en résultent. Pour recueillir le plus de données possible à partir de ces tests, le BIC utilise une caméra thermique haute vitesse Teledyne FLIR qui révèle les détails thermiques que d’autres technologies ne peuvent pas capturer.

“Lorsque nous effectuons un test, nous voulons recueillir autant de données que possible, et nous voulons avoir l’assurance que nos données sont exactes,” explique Ashley Gordon, directrice des programmes au sein du BIC. L’imagerie thermique à haute vitesse garantit une collecte des données les plus complètes et les plus précises possibles.

Test de la batterie par pénétration du clou enregistré par imagerie thermique à grande vitesse.

Rôle important du BIC dans l’industrie

S’appuyant sur une connaissance approfondie et une collaboration avec les leaders de l’industrie, les universités et les agences gouvernementales, le BIC fournit à ses clients l’assurance et les données basées sur les résultats nécessaires pour garantir que leurs produits sont aussi sûrs que possible. “Nous faisons tout ce qui concerne la fabrication, la conception, le test et l’évaluation des batteries, pour aider à former l’industrie à la prochaine génération de stockage d’énergie avancé,” déclare Ben Wrightsman, président et PDG du BIC.

“Les tests sont absolument critiques,” poursuit-il, expliquant comment la demande que nous plaçons sur les batteries a fortement augmenté ces dernières années. À mesure que les modèles de batterie évoluent pour répondre à cette demande, il est de plus en plus important de vérifier leurs performances et leur sécurité.

Leurs clients vont des start-ups aux plus grands OEM et fabricants mondiaux, qui sont à la pointe du développement de technologies émergentes. “Nous avons beaucoup de clients travaillant dans le secteur des véhicules électriques, ou VE, qui sont particulièrement attachés à la notion de sécurité,” précise Gordon. “Ils essaient d’intégrer cette nouvelle génération pour aider nos appareils à durer plus longtemps pour le stockage en réseau, mais également pour rendre les batteries plus sûres, de sorte qu’il y ait moins de risques pour les personnes qui les utilisent.

“Des produits de consommation aux VE en passant par le stockage Grid, nous voyons tout… et nous traitons toutes les chimies respectives qui sont actuellement déployées pour les batteries.”

Rodney Kidd, technicien de laboratoire au sein du BIC, installe une caméra thermique à grande vitesse pour surveiller les tests de batterie.

Les accidents se produiront inévitablement, et lorsqu’ils se produiront, il est important de savoir comment les batteries réagiront ; si elles s’enflamment, à quelle vitesse, et quelle est la probabilité qu’elles enflamment également les matériaux environnants. “Nous reproduisons le pire scénario afin de pouvoir recueillir ces données et de savoir à quoi nous attendre,” explique Gordon.

La caméra d’imagerie thermique à grande vitesse du BIC, acquise vers la fin de l’année en 2020, est devenue la clé de la façon dont ses équipes recueillent les données.

Les limites des thermocouples

“Avant l’arrivée de la caméra thermique, des thermocouples en vrac et des dispositifs IR plus généraux étaient utilisés,” explique le Dr James Fleetwood, directeur de recherche pour le BIC. Les thermocouples, des capteurs de température peu coûteux composés de deux fils différents, sont couramment utilisés dans l’industrie pour tester la température. Cependant, leur action est freinée par un certain nombre de limitations, en particulier pour le type de tests effectués par le BIC.

Le principal inconvénient des thermocouples est qu’ils ne peuvent mesurer qu’un point à la fois. “Si je viens d’utiliser le thermocouple, je vais avoir une lecture de la température du point de contact. Ce qui signifie qu’il va lire exactement dans la position dans laquelle il se trouve,” explique Rodney Kidd, technicien de laboratoire au BIC.

Le placement des thermocouples est également soumis à des biais. “C’est un retour d’information auto-réalisant,” explique le Dr Fleetwood. “Vous ne savez pas vraiment où se trouvent les points chauds. Vous avez juste des mesures associées à l’endroit où vous pensez les trouver.”

Test abusif de simulation d’un court-circuit

L’un des tests abusifs auxquels les batteries sont soumises est la pénétration de clous, qui simule les courts-circuits et peut provoquer une surchauffe de la batterie qui peut prendre feu, voire même exploser. “Si l'on effectue un test avec des clous et que l'on se limite à des thermocouples, il faudrait vraiment placer un millier de thermocouples sur toute la surface de la cellule pour avoir une idée précise du profil de température qui va se diffuser dans toute la cellule,” explique Kidd.

Gros plan de l’ongle utilisé pendant les tests de batterie abusifs.

Il est important que les ingénieurs comprennent, lors de la conception des batteries, comment le court-circuit et la chaleur qui se propage provoquent l'accumulation de gaz, ainsi que l'endroit où ces gaz et autres matériaux de la cellule seront expulsés ainsi que la température à laquelle ils se trouvent. “Nous ne serons pas toujours en mesure d’arrêter le feu de la batterie,” explique Kidd, “mais nous pouvons atténuer les dommages et l’étendue de celui-ci et le diriger vers un chemin sûr.”

“C’est quelque chose qui nous était impossible auparavant avec seulement des thermocouples et des caméras IR standard,” explique Kidd. Alors qu’ils pouvaient voir des débris s’échapper, le matériau s'est refroidi immédiatement après avoir touché l'atmosphère. “Avec la caméra à grande vitesse,” explique-t-il, “je peux ralentir et « attraper » ce matériau qui sort parfois à des températures de 5, 6, 700 °C, puis à des températures encore plus élevées.”

L’imagerie thermique haute vitesse FLIR montre une image plus grande

Contrairement aux thermocouples, qui doivent être placés directement pour recueillir les données de température, l’imagerie thermique fournit des données simultanées sur chaque point de la batterie. “Cela donne une vue d’ensemble,” explique Gordon, “ qui collecte évidemment beaucoup plus de points de données qui peuvent aider à l’analyser et à trouver le prochain test que nous voulons faire.”

Avec l’imagerie thermique, les ingénieurs peuvent facilement voir ce qui se passe à l’extérieur de la batterie lorsqu’elle est exposée à un test abusif, mais aussi ce qui se passe à l’intérieur et comment la chaleur progresse. “Nous pouvons voir immédiatement comment la température se propage, et nous pouvons voir immédiatement si nous obtenons des points chauds, même si nous n’avons pas de thermocouple à cet endroit,” poursuit Gordon.

L’imagerie thermique à haute vitesse capture la dispersion de la chaleur dans une batterie pendant un test de pénétration de l’ongle.

Le résultat est que l’imagerie thermique fournit beaucoup plus d’informations qu’une simple certification de réussite/échec. “Ce profil thermique vous en dit beaucoup plus sur la façon dont le système de gestion thermique fonctionne, que sur le fait que le système s’est allumé en cas d’incendie ou n’a pas allumé d’incendie,” explique le Dr Fleetwood. Non seulement la technologie thermique fournit de grandes quantités de données dans chaque trame, mais elle fournit également un moyen de comprendre visuellement ce qui se passe pendant les tests. “Je pense que tout le monde peut généralement comprendre une image vidéo montrant son propre profil, par rapport à un fichier Excel comportant des milliers de chiffres et des graphiques génériques.”

En savoir plus sur les solutions d’imagerie thermique à grande vitesse de Teledyne FLIR :www.flir.com/instruments/science/high-speed-ir/