Système de formation et de classement de batteries à rétroaction énergétique | TOB-EF256-6G

TOB-EF256-6G Système automatique de formation et de classification avec retour d'énergie pour cellules en poche

Présentation du produit et applications idéales

Le TOB-EF256-6G est un système automatique de formation et de classification spécialement conçu pour les cellules lithium-ion rechargeables en poche. Il combine 256 canaux de test indépendants — chacun capable de charger et de décharger jusqu'à 6 A dans une plage de tension de 0 à 5 V — avec une architecture d'alimentation bidirectionnelle AC-DC/DC-AC à retour d'énergie qui réinjecte l'énergie déchargée des cellules dans le réseau électrique AC de l'usine au lieu de la dissiper sous forme de chaleur. Cette conception permet simultanément un cyclage électrochimique de haute précision et une réduction importante de la consommation d'énergie électrique d'une ligne de production de batteries.

Chaque canal du TOB-EF256-6G utilise un véritable schéma de mesure à quatre fils (Kelvin) et est piloté par une source dédiée à courant constant/tension constante, isolée électriquement de ses voisines. L'ensemble de l'armoire à 256 canaux est contrôlé comme une seule unité via Ethernet ou RS-485 depuis un ordinateur hôte sous Windows exécutant le logiciel de formation propriétaire de TOB. Le logiciel permet à l'utilisateur de programmer jusqu'à 32 étapes et 256 cycles par recette, chaque étape pouvant être sélectionnée comme charge à courant constant, charge à tension constante, décharge à courant constant ou repos. Les courbes tension/courant/capacité/énergie en temps réel sont tracées pour chaque canal, et toutes les données brutes ainsi que les résultats de fin d'étape sont enregistrés localement et peuvent être téléversés vers une base de données serveur pour l'intégration MES.

La conception mécanique du TOB-EF256-6G est adaptée à la manipulation des cellules en poche. L'armoire est divisée en quatre portes, chacune contenant 16 couches de dispositifs de fixation disposées pour des cellules chargées des deux côtés du plateau. Un mécanisme de serrage vertical motorisé ouvre et ferme simultanément l'ensemble des dispositifs de fixation, accélérant ainsi le chargement et le déchargement des cellules. Les plateaux de fixation adoptent une conception séparée, avec un espacement réglable des contacts d'électrode positive et négative pouvant accueillir des cellules en poche avec des languettes espacées jusqu'à 120 mm.

Idéal pour :

• Les lignes de production de cellules lithium-ion en poche réalisant les étapes critiques de formation (première charge, formation de la SEI) et de classification de capacité avant l'assemblage des cellules en modules ou leur expédition en tant que produits finis.
• Les lignes pilotes de batteries nécessitant une seule armoire capable de traiter jusqu'à 256 cellules par lot avec la même précision électrique et la même traçabilité des données qu'un système de production à grande échelle.
• Les fabricants cherchant à réduire le coût électrique d'exploitation de leur zone de formation en déployant des systèmes à retour d'énergie qui récupèrent une part importante de l'énergie de décharge.
• Les services de contrôle qualité nécessitant un enregistrement numérique permanent et auditable des données de formation et de classification de chaque cellule, de la tension initiale en circuit ouvert jusqu'au classement final de capacité.

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Intégration de la formation et de la classification dans la fabrication des cellules en poche

L'étape de formation et de classification se situe entre l'assemblage des cellules et l'expédition finale, et elle remplit deux objectifs distincts :

1. Formation :Une cellule en poche fraîchement assemblée contient un séparateur sec et un ensemble d'électrodes vierges. Lorsqu'une première charge est appliquée, l'électrolyte se décompose de manière contrôlée à la surface de l'anode, formant l'interphase solide-électrolyte (SEI). Cette SEI est essentielle pour la stabilité à long terme de la cellule, mais elle consomme une petite quantité de lithium et génère du gaz. Le protocole de formation — une séquence soigneusement définie de courants de charge, de maintiens en tension, de périodes de repos et parfois d'une étape de dégazage — doit être exécuté avec une grande précision et une excellente répétabilité, car des variations de la tension ou du courant de formation peuvent entraîner une croissance inégale de la SEI ainsi qu'une large dispersion de la capacité et de la résistance interne des cellules.
2. Classification :Après la formation, chaque cellule est déchargée puis rechargée (souvent pendant un ou plusieurs cycles) afin de mesurer sa capacité réelle, son énergie et sa résistance interne. Les cellules sont ensuite triées en classes de capacité (généralement dans une plage de ±1 % par rapport à une capacité cible) afin que les cellules assemblées dans un même module ou pack présentent des caractéristiques électriques étroitement assorties. Le TOB-EF256-6G prend en charge plusieurs stratégies de classification, notamment la classification par capacité, par temps, par capacité-plus-courbe, par temps-plus-courbe, par capacité-plus-tension et par tension fixe, offrant à l'ingénieur de production la flexibilité de choisir la méthode qui correspond le mieux aux performances sur le terrain.

En combinant la formation et la classification dans une seule armoire à 256 canaux, le TOB-EF256-6G réduit la manipulation des cellules : le même dispositif de fixation maintient la cellule depuis la première charge de formation jusqu'à la décharge finale de classification, éliminant le besoin de transférer les cellules entre les machines et réduisant le risque d'endommagement des languettes ou de contamination.

Fonctionnement du système à retour d'énergie

Le TOB-EF256-6G utilise une architecture d'alimentation bidirectionnelle AC-DC/DC-AC qui modifie fondamentalement la manière dont l'énergie électrique circule pendant le cyclage des cellules :

Pendant la charge :

• La source à courant constant/tension constante de chaque canal tire une puissance continue du bus interne 14 V DC, alimenté par l'étage AC-DC de l'alimentation bidirectionnelle.
• L'étage AC-DC convertit l'électricité du réseau AC (triphasé, 380 V) en courant continu régulé avec un rendement de conversion intrinsèquement supérieur à celui d'une source traditionnelle linéaire à courant constant.
• Le flux énergétique global pendant la charge est : (Électricité du réseau + énergie provenant d'autres cellules en décharge simultanée) → onduleur bidirectionnel AC-DC → bus DC → circuit DC-DC par canal → cellule.

Pendant la décharge :

• L'énergie stockée dans la cellule est renvoyée via le circuit DC-DC par canal, qui augmente la tension de la cellule jusqu'à la tension du bus DC interne.
• L'étage DC-AC de l'alimentation bidirectionnelle convertit ensuite cette énergie DC en AC et la synchronise avec le réseau AC de l'usine.
• L'énergie AC circule vers le bus AC local de l'usine, où elle est consommée en priorité par d'autres équipements — notamment d'autres armoires TOB-EF256-6G qui chargent des cellules, ainsi que les charges générales de l'usine telles que l'éclairage, la climatisation et les équipements de bureau.
• Seule l'énergie dépassant la consommation instantanée de l'usine est réinjectée dans le réseau électrique général.

Spécifications de rendement :

• Rendement de conversion en sortie de l'alimentation de charge : > 70 % (calculé comme l'énergie de charge de la batterie enregistrée par le logiciel divisée par la consommation mesurée par le compteur électrique × 100 %).
• Rendement de retour d'énergie de l'alimentation en décharge : > 65 % (calculé comme l'énergie active inverse mesurée par le compteur électrique divisée par l'énergie de décharge de la batterie enregistrée par le logiciel × 100 %).

Ces valeurs de rendement signifient que pour chaque 1 kWh d'énergie déchargée des cellules pendant le test de capacité, environ 0,65 kWh est récupéré et réutilisé dans l'usine, au lieu d'être dissipé sous forme de chaleur par des bancs de charge résistifs.

Principales capacités du système

▶ 256 canaux indépendants et isolés

Chacun des 256 canaux possède sa propre source à courant constant/tension constante, isolée électriquement des autres. La plage de courant par canal est de 5 à 6000 mA, couvrant les besoins de formation des petites cellules en poche (par exemple 150 mAh) jusqu'aux cellules de production pilote plus grandes. Tous les canaux sont adressés et contrôlés comme un groupe par le contrôleur de l'armoire, mais le circuit électrique de chaque canal est totalement indépendant, de sorte qu'une panne sur un canal n'affecte pas les autres.

▶ Haute précision de mesure avec connexion Kelvin à quatre fils

La précision du courant est de ±0,05 % de la pleine échelle plus ±0,05 % de la lecture, et la précision de tension est de ±2 mV. Ces spécifications sont rendues possibles par la véritable méthode de mesure à quatre fils, qui sépare les fils transportant le courant des fils de détection de tension au niveau du point de contact du dispositif de fixation, éliminant ainsi l'influence de la résistance des fils et de la résistance de contact sur la tension mesurée de la cellule. Un balayage complet de l'ensemble des 256 canaux est effectué en ≤ 3 s, et l'intervalle minimal d'enregistrement des données est de 5 s.

▶ Construction modulaire avec serrage automatique motorisé

L'armoire est divisée en quatre portes, chacune avec 16 couches de supports (256 canaux au total). Le chargement et le déchargement des cellules sont accélérés par un mécanisme de serrage vertical entraîné par moteur qui ouvre ou ferme simultanément tous les supports d'une porte. Les plateaux de support sont de conception séparée : les ensembles de contacts positifs et négatifs peuvent être déplacés indépendamment, ajustant l'espacement des contacts jusqu'à un maximum de 120 mm afin d'accueillir des cellules en poche avec différentes séparations de languettes. L'espacement point à point des contacts le long de chaque plateau est de 168 mm.

▶ L'architecture à rétroaction énergétique réduit les coûts d'exploitation

L'alimentation bidirectionnelle AC-DC/DC-AC récupère une fraction importante de l'énergie de décharge qui serait autrement gaspillée. Dans un protocole typique de formation et de classement où les cellules sont déchargées plusieurs fois pour mesurer leur capacité, l'énergie récupérée réduit directement la facture d'électricité de l'usine et diminue la charge thermique sur le système de climatisation de l'usine.

▶ Programmation flexible de recettes en plusieurs étapes

Le logiciel hôte, fonctionnant sur un PC Windows connecté via Ethernet ou RS-485, permet de programmer jusqu'à 32 étapes et 256 cycles par recette. Chaque étape peut être configurée en charge à courant constant, charge à tension constante, charge à courant constant/tension constante, décharge à courant constant ou repos. Une étape peut être terminée selon des conditions de courant, de tension, de temps ou de capacité. Cette flexibilité prend en charge des protocoles de formation complexes, tels que le mouillage en plusieurs étapes, la formation de gaz et les séquences de dégazage.

▶ Journalisation complète des données et connectivité MES

Les données brutes détaillées de chaque canal et de chaque étape sont enregistrées localement sur le PC sous forme de fichiers de processus individuels. Les résultats de fin d'étape (tension en circuit ouvert, tension moyenne, durée d'étape, courant, capacité, capacité de plateau) sont stockés dans un fichier de base de données MDB standard, un par exécution de processus. Dans les installations disposant d'un serveur de données configuré, les résultats peuvent être automatiquement transférés vers une base de données serveur, où les fichiers MDB servent de format de base de données standard pouvant être directement intégré à un MES d'usine. Cette architecture conserve un enregistrement numérique complet pour la traçabilité et prend en charge l'analyse statistique nécessaire à l'amélioration continue des processus.

▶ Lecture de codes-barres pour la traçabilité des cellules

Le TOB-EF256-6G prend en charge la lecture de codes-barres, y compris la lecture séquentielle et la lecture avec saut de canal, afin que le code-barres unique de chaque cellule soit associé au canal spécifique dans lequel elle est traitée. Les données du code-barres sont enregistrées avec les résultats de formation et de classement, permettant une traçabilité complète vers l'avant et vers l'arrière, des cellules entrantes jusqu'aux bacs de capacité finaux.

▶ Fonctions complètes de protection et d'alarme

Le système protège les cellules et l'équipement lui-même grâce à des protections matérielles et logicielles : détection de surintensité, de sous-intensité, de surtension, de sous-tension, de surcapacité et de courant de fuite. La surtension de charge et la sous-tension de décharge sont protégées à la fois par un circuit matériel et par une limite logicielle, fournissant une couche de sécurité redondante qui protège les cellules même en cas de dysfonctionnement du logiciel de contrôle.

Spécifications techniques

Spécifications fonctionnelles supplémentaires

Spécifications mécaniques

Composition du système

Le système de formation et de classement TOB-EF256-6G fourni comprend les principaux éléments suivants :

1. Équipement de formation et de classement de batteries lithium-ion (l'armoire à 256 canaux décrite ci-dessus).
2. Ordinateur hôte avec interfaces USB et Ethernet.
3. Convertisseurs et câbles de communication (convertisseur USB vers RS-485 et câble de communication, ou câble réseau de catégorie 5 et connecteurs RJ45).
4. Logiciel de formation et de classement TOB pour Windows.

L'ordinateur hôte se connecte au contrôleur de l'armoire et envoie des commandes tout en collectant les données de tous les canaux. Les cartes par canal à courant constant/tension constante répondent au processeur du contrôleur, fournissant un contrôle à courant constant et à tension constante pendant la charge et la décharge.

Pendant la charge, l'alimentation bidirectionnelle convertit l'électricité secteur CA en un bus CC de 14 V, et la carte de chaque canal régule le courant vers la cellule. Pendant la décharge, le processus est inversé : la carte de chaque canal élève d'abord la tension de la cellule vers le bus CC interne, puis l'alimentation bidirectionnelle convertit cette puissance CC en CA qui est injectée dans le réseau de distribution CA de l'usine. Cette architecture permet d'obtenir la fonction de récupération d'énergie décrite dans les spécifications.

Recommandations pratiques d'utilisation et de maintenance

• Étalonnage : Les canaux de tension et de courant de l'instrument doivent être réétalonnés tous les 6 mois à l'aide de la procédure d'étalonnage numérique intégrée. L'étalonnage est entièrement réalisé par logiciel ; aucun potentiomètre ne doit être réglé à l'intérieur de l'armoire. Un multimètre numérique certifié est requis comme référence standard.
• Maintenance des contacts du dispositif de fixation : Les contacts Kelvin à quatre fils de chaque dispositif de fixation doivent être inspectés périodiquement pour détecter l'usure, la contamination ou l'oxydation. Un contact de mesure de tension sale produira une lecture de tension artificiellement élevée et entraînera un résultat de capacité incorrect. Nettoyez les contacts avec de l'alcool isopropylique et un chiffon non pelucheux lorsque l'armoire n'est pas en fonctionnement.
• Fonctionnement de la récupération d'énergie : La fonction de récupération d'énergie fonctionne automatiquement lorsqu'une cellule est déchargée. Aucune intervention de l'opérateur n'est nécessaire. L'efficacité de récupération d'énergie dépend du nombre de cellules qui se chargent et se déchargent simultanément dans toutes les armoires connectées. L'efficacité de récupération maximale est obtenue lorsque la puissance de décharge d'un groupe de cellules correspond étroitement à la puissance de charge requise par un autre groupe.
• Sauvegarde des données : Bien que le PC local stocke toutes les données de processus sans suppression, il est fortement recommandé de sauvegarder les fichiers de résultats MDB et les fichiers de processus détaillés sur un lecteur réseau ou un serveur à la fin de chaque lot de production. Cela garantit que les données restent accessibles même en cas de défaillance du disque dur du PC local.
• Flux de travail logiciel : Avant de démarrer un lot de production, créez ou chargez la recette appropriée dans le logiciel de formation TOB. Définissez la séquence de numérisation des codes-barres si la traçabilité est requise. Vérifiez que tous les canaux sont étalonnés et que les limites de protection contre la surtension et la sous-tension sont correctement définies pour le modèle de cellule traité. Une fois le lot terminé, utilisez l'utilitaire de classement pour trier les cellules dans des catégories de capacité selon la méthode de classement choisie, puis exportez le rapport de répartition pour l'assemblage des packs.

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tob.amy@tobmachine.com | +86 181 2071 5609

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