Thèmes:
- Préface
- Matériaux et spécifications des différentes batteries
- Batterie au plomb
- Nickel-cadmium (Ni-Cd)
- Hydrure métallique de nickel (Ni-MH)
- Lithium-ion (li-ion)
- Super condensateur (supercap)
- Équilibrage des cellules de batterie
Préface:
La voiture hybride ou entièrement électrique possède des batteries plus grosses et plus lourdes que les voitures équipées uniquement d’un moteur à combustion. Les voitures hybrides utilisent des tensions élevées, qui peuvent mettre la vie en danger si les réparations sont effectuées par des personnes non qualifiées. Par exemple:
- Un démarreur en fonctionnement consomme environ 1,2 kW (1200 XNUMX watts)
- Une voiture hybride fonctionnant entièrement à l’électricité consomme environ 60 kW (60.000 XNUMX watts)
Les voitures hybrides ne peuvent être utilisées que par des personnes ayant suivi une formation spéciale. Il existe un réseau de bord 12 volts pour l'alimentation des accessoires (tels que radio, etc.) avec sa propre petite batterie, et un réseau de bord haute tension qui fonctionne à 400 volts (selon la marque). ). La tension de 400 V est convertie en 12 V par un convertisseur DC/DC spécial et charge la batterie correspondante.
Les batteries de propulsion hybride sont soumises à des exigences élevées. Ils doivent être très gros capacité de stockage avoir. De grandes réserves d'énergie sont stockées et de très hautes tensions sont consommées lors du support du moteur à combustion (hybride) ou lors de la fourniture d'énergie pour la propulsion complète (BEV).
L'image ci-dessous montre une batterie d'une Toyota Prius. Cette batterie Nickel Metal Hydride (NiMH) contient 28 modules, chacun composé de 6 cellules. Chaque cellule a une tension de 1,2 volts. La tension totale de cette batterie est de 201,6 volts.
Matériaux et spécifications des différents types de batteries :
Lors du développement de la transmission électrique, un choix est fait entre différents types de batteries. Les propriétés, les performances, les options de construction et les coûts jouent un rôle majeur. Les types de batteries les plus couramment utilisés dans les véhicules hybrides et entièrement électriques sont les batteries Ni-MH (hydrure métallique de nickel) et Li-ion (lithium-ion).
Outre les types Ni-MH et Li-ion, il existe un développement de condensateurs électrolytiques, que nous classons sous le nom de « super-condensateur » ou « supercaps ».
Le tableau présente les matériaux des différentes batteries avec leurs spécifications.
Batterie au plomb :
Le tableau mentionne également la batterie au plomb (les versions gel et AGM ne sont pas prises en compte). Étant donné que la batterie au plomb a la durée de vie la plus longue avec une décharge maximale de 20 %, qu'elle souffre de sulfatation en vieillissant et qu'elle a une faible densité et un faible contenu énergétique, elle ne convient pas à une utilisation dans les véhicules électriques. Nous trouvons la batterie au plomb comme batterie accessoire ; Les consommateurs basse tension tels que l'éclairage, les systèmes de confort (carrosserie) et d'infodivertissement fonctionnent à une tension d'environ 14 volts.
Nickel-cadmium (Ni-Cd) :
Dans le passé, le Ni-Cd Les batteries souffrent d'un effet mémoire et sont donc impropres à une utilisation en propulsion électrique : des charges et décharges partielles se produisent en permanence. Les batteries Ni-Cd modernes ne sont pratiquement plus affectées par l'effet mémoire. Le plus gros inconvénient de ce type de batterie est la présence de substance toxique, le cadmium. Cela rend la batterie Ni-Cd extrêmement peu respectueuse de l'environnement. L'utilisation de cette batterie est donc interdite par la loi.
Hydrure métallique de nickel (Ni-MH) :
La batterie Ni-MH peut être chargée plus rapidement qu'une batterie au plomb. Pendant la charge, de la chaleur et du gaz sont créés, qui doivent être évacués. Les batteries sont équipées d'un système de refroidissement et d'une vanne de ventilation. Grâce à sa longue durée de vie et à sa densité d'énergie et de puissance élevée, la batterie Ni-MH est adaptée à une utilisation dans les véhicules électriques. Cependant, ce type de batterie est sensible aux surcharges, aux décharges excessives, aux températures élevées et aux changements rapides de température.
L'image ci-dessous montre la batterie Ni-MH d'une Toyota Prius. Cette batterie se trouve dans le coffre, derrière le dossier de la banquette arrière. Lorsque les capteurs de température enregistrent une température élevée, le ventilateur de refroidissement est activé (visible sur la photo de droite à côté du boîtier blanc). Le ventilateur aspire l'air de l'intérieur et le souffle à travers les conduits d'air de la batterie pour refroidir les cellules.
Lithium-ion (li-ion) :
En raison de la densité d'énergie et de puissance élevée de la batterie lithium-ion (par rapport au Ni-MH), une batterie Li-ion est généralement utilisée dans les hybrides rechargeables et les véhicules entièrement électriques. La batterie Li-ion fonctionne bien à basse température et a une longue durée de vie. On s'attend à ce que les propriétés s'améliorent dans les années à venir grâce à la poursuite du développement.
Dans l'image suivante, nous voyons la batterie (li-ion) d'une BMW i3. Le couvercle a été dévissé et se trouve derrière. Une fois monté, le couvercle se ferme hermétiquement.
La batterie du i3 est montée sous le véhicule. L'espace au sol entre l'essieu avant et l'essieu arrière a été utilisé autant que possible pour fournir autant d'espace que possible pour la batterie.
Sur l’image, nous voyons les huit blocs séparés de douze cellules chacun. Chaque bloc a une capacité de 2,6 kWh, ce qui fait un total de 22 kWh. A titre de comparaison : la génération actuelle i3 (2020) dispose d'une batterie d'une capacité de 94 Ah et d'une puissance de 22 kWh. La taille du pack batterie est restée la même depuis son introduction en 2013, mais ses performances (et donc son autonomie) se sont grandement améliorées.
Tesla utilise de petites cellules de batterie dans les modèles à partir de 2013 (Model S et Model X) qui sont légèrement plus grandes que les piles AA standard que nous connaissons grâce à la télécommande du téléviseur. Les cellules de la batterie (18650 de Panasonic) mesurent 65 mm de long et ont un diamètre de 18 mm. Les batteries les plus complètes contiennent pas moins de 7104 XNUMX de ces cellules.
Dans les images ci-dessous, nous voyons les cellules individuelles de la batterie à gauche et une batterie contenant les cellules 7104 à droite.
La batterie lithium-ion est composée de quatre composants principaux :
- la cathode (+) constituée d'un alliage de lithium
- l'anode (-) constituée de graphite ou de carbone
- le séparateur poreux
- l'électrolyte
Pendant la décharge, les ions lithium se déplacent à travers l'électrolyte de l'anode (-) à la cathode (+), jusqu'au consommateur et reviennent à l'anode. Lors de la charge, les ions se déplacent dans des directions opposées puis passent de la cathode (+) à l'anode (-).
L'électrolyte contient des sels de lithium pour transporter les ions. Le séparateur garantit le passage des ions lithium, tandis que l'anode et la cathode restent séparées.
Les cellules de la batterie sont logées dans des modules connectés en série. La représentation schématique suivante ci-dessous montre une batterie qui présente de fortes similitudes avec celle d'une Volkswagen E-UP ! et Renault Zoé. Seul le nombre de cellules diffère : le pack batterie du E-UP! possède 204 cellules et celui de la Renault Zoë 192.
Dans cet exemple, le pack batterie se compose de deux packs de six modules. Chaque module contient deux groupes de 10 cellules connectées en série en parallèle.
- Connexion en série : la tension de la batterie augmente. À une tension de cellule (li-ion) de 3,2 volts, un module de batterie fournit (3,2 * 10) = 32 volts.
L'inconvénient d'une connexion en série est qu'avec une cellule défectueuse, la capacité de l'ensemble de la connexion en série diminue. - Connexion parallèle : la tension reste la même, mais le courant et la capacité augmentent. Une cellule défectueuse n’a aucune influence sur les cellules du circuit qui lui sont connectées en parallèle.
Les fabricants peuvent donc choisir d'utiliser plusieurs circuits parallèles par module. Dans les modules de la Volkswagen E-Golf, ce ne sont donc pas (deux dans cet exemple) mais trois groupes de cellules qui sont connectés en parallèle.
Les cellules lithium-ion ont une durée de vie d'environ 2000 80 cycles de décharge et de charge avant que leur capacité ne soit réduite à environ XNUMX % de leur capacité de charge initiale.
Les tensions d'une cellule Li-ion sont les suivantes :
- tension nominale : 3,6 volts ;
- limite de décharge : 2,5 volts ;
- tension de charge maximale : 4,2 volts.
La plupart des systèmes de gestion de batterie (BMS) utilisent une limite inférieure de 2,8 volts. Si la cellule est déchargée au-delà de 2,5 volts, elle sera endommagée. La durée de vie de la cellule est raccourcie. La surcharge de la cellule Li-ion réduit également sa durée de vie, mais est également dangereuse. Une surcharge de la cellule peut la rendre inflammable. La température des cellules affecte également leur durée de vie : à une température inférieure à 0°C, les cellules peuvent ne plus être chargées. Une fonction de chauffage offre une solution dans ce cas.
Condensateur super code (supercap) :
Dans les paragraphes précédents, différents types de batteries sont évoqués, chacun avec ses applications, avantages et inconvénients. Un inconvénient auquel toute personne possédant une telle batterie est confrontée est le temps de charge. Charger une batterie peut prendre plusieurs heures. La charge rapide est une option, mais elle est associée à plus de chaleur et peut-être aussi à un vieillissement (et à des dommages) plus rapides de la batterie.
De nombreux travaux de recherche et développement sont actuellement en cours dans le domaine des supercondensateurs. Nous appelons également ces « super caps » ou « ultracondensateurs ». L’utilisation de supercaps pourrait apporter une solution à cela :
- La charge est très rapide ;
- Ils peuvent libérer de l'énergie (décharge) très rapidement, ce qui permet une augmentation significative de la puissance ;
- Plus durable qu'une batterie Li-ion grâce à un nombre illimité de cycles de charge (au moins 1 million) car aucune réaction électrochimique ne se produit ;
- En partie en lien avec le point précédent, un supercaps peut être entièrement déchargé sans que cela ait un effet néfaste sur sa durée de vie.
Les supercaps sont des condensateurs dont la capacité et la densité énergétique sont des milliers de fois supérieures à celles des condensateurs électrolytiques standards. La capacité est augmentée grâce à l'utilisation d'un électrolyte spécial (matériau isolant) qui contient des ions et présente donc une constante diélectrique très élevée entre les plaques. Un séparateur (une fine feuille) est trempé dans un solvant contenant des ions et placé entre les plaques. Les plaques sont généralement en carbone.
La capacité du condensateur illustré est de 5000 XNUMX F.
Les supercaps peuvent être combinés avec une batterie Li-ion HV ; Lors d'une brève accélération, l'énergie des condensateurs peut être utilisée à la place de l'énergie de la batterie HT. Avec le freinage par récupération, les condensateurs se chargent complètement en une fraction de seconde. Les développements futurs pourraient également permettre de remplacer la batterie Li-ion par un boîtier SuperCap. Malheureusement, avec la technologie actuelle, la capacité et donc la densité de puissance sont trop faibles par rapport à une batterie lithium-ion. Les scientifiques recherchent des moyens d’augmenter la capacité et la densité de puissance.
Équilibrage des cellules de batterie :
Grâce à l'équilibrage passif et actif des cellules de la batterie, chaque cellule est surveillée par l'ECU pour maintenir un état de batterie sain. Cela prolonge la durée de vie des cellules en empêchant les décharges profondes ou les surcharges. Les cellules lithium-ion en particulier doivent rester dans des limites strictes. La tension des cellules est proportionnelle à l'état de charge. Les charges des cellules doivent être maintenues autant que possible en équilibre les unes avec les autres. Avec l'équilibrage des cellules, il est possible de contrôler avec précision l'état de charge à 1 mV (0,001 volt près).
- L'équilibrage passif assure un équilibre dans l'état de charge de toutes les cellules de la batterie en déchargeant partiellement les cellules avec un état de charge trop élevé (nous y reviendrons plus tard dans la section) ;
- L'équilibrage actif est une technique d'équilibrage plus complexe qui permet de contrôler les cellules individuellement pendant la charge et la décharge. Le temps de charge avec équilibrage actif est plus court qu’avec équilibrage passif.
Dans l'image suivante, nous voyons un module de batterie à huit cellules.
Les huit cellules sont chargées à 90 %. La durée de vie d'une cellule diminue si elle est continuellement chargée à 100 %. A l’inverse, la durée de vie diminue également si la batterie se décharge au-delà de 30 % : à un état de charge < 30 % la cellule est profondément déchargée.
L'état de charge des cellules sera donc toujours compris entre 30 % et 90 %. Ceci est surveillé par l'électronique, mais n'est pas vu par le conducteur du véhicule.
L'affichage numérique du tableau de bord indique 0% ou 100% lorsqu'il atteint 30% ou 90%.
En raison de l’âge, certaines cellules peuvent devenir plus faibles que d’autres. Cela a une influence majeure sur l'état de charge du module de batterie. Dans les deux images suivantes, nous voyons l'état de charge lorsque deux cellules ont une capacité inférieure en raison de leur âge. Les cellules de la batterie ne sont pas équilibrées dans ces situations.
- Décharge plus rapide en raison de cellules défectueuses : les deux cellules du milieu se déchargent plus rapidement en raison de leur capacité inférieure. Afin d'éviter une décharge profonde, les six autres cellules du module ne peuvent plus libérer d'énergie et ne peuvent donc plus être utilisées ;
- Ne se charge pas complètement à cause de cellules défectueuses : en raison de la faible capacité des deux cellules du milieu, elles se chargent plus rapidement. Comme elles atteignent 90 % plus rapidement que les six autres cellules, une charge supplémentaire ne peut pas avoir lieu.
Il est clair que les cellules de faible capacité constituent le facteur limitant à la fois lors de la décharge (pendant la conduite) et lors de la charge. Pour utiliser de manière optimale la pleine capacité de la batterie et garantir une longue durée de vie.
Il existe deux méthodes d'équilibrage de la batterie : passive et active.
- Sans équilibrage : quatre cellules ont toutes un état de charge différent. La cellule 2 est presque vide et la cellule 4 est complètement chargée ;
- Passif : les cellules ayant la plus grande capacité sont déchargées jusqu'à ce que l'état de charge de la cellule la plus faible (cellule 2 dans l'exemple) soit atteint. La décharge des cellules 1, 3 et 4 est une perte.
Dans l'exemple on voit que les béchers se déchargent jusqu'à atteindre l'état de charge de la cellule 2 ; - Actif : l’énergie des cellules pleines est utilisée pour remplir les cellules vides. Il n’y a désormais plus de perte, mais un transfert d’énergie d’une cellule à une autre.
Le principe de fonctionnement de l’équilibrage cellulaire passif et actif est expliqué ci-dessous.
Équilibrage cellulaire passif :
Dans l'exemple, nous voyons quatre cellules de batterie connectées en série avec une résistance commutable (R) en parallèle. Dans cet exemple, la résistance est connectée à la masse avec l'interrupteur. En réalité il s'agit d'un transistor ou FET.
Dans l'exemple, nous voyons que la cellule 3 est chargée à 100 %. D'après les paragraphes précédents, nous savons que cette cellule se charge plus rapidement car elle est plus faible que les trois autres. L'état de charge de la cellule 3 étant de 100 %, les trois autres cellules ne sont plus chargées.
La résistance située en parallèle aux bornes de la cellule 3 est incluse dans le circuit de courant par le commutateur. La cellule 3 se décharge car la résistance absorbe la tension dès que le courant la traverse. La décharge se poursuit jusqu'à ce que la cellule soit au niveau des autres cellules ; dans ce cas 90%.
Lorsque les quatre cellules de ce module ont le même état de charge, elles peuvent être chargées davantage.
Avec l'équilibrage passif des cellules, de l'énergie est perdue : la tension absorbée par les résistances connectées en parallèle a été perdue. Néanmoins, de nombreux fabricants utilisent encore aujourd’hui cette méthode d’équilibrage.
Equilibrage cellulaire actif :
L’équilibrage actif des cellules est bien sûr bien plus efficace. L’énergie de la cellule trop pleine est utilisée pour charger la cellule vide. Nous voyons ci-dessous un exemple d’équilibrage cellulaire actif.
Dans l'exemple, nous voyons deux cellules connectées en série (3 et 4) avec leurs tensions au-dessus d'elles (respectivement 4 et 3,9 volts). La cellule 3 est déchargée grâce au transformateur. Le FET côté primaire permet la décharge. La bobine primaire du transformateur en est chargée. Le FET du côté secondaire allume la bobine secondaire du transformateur. Le courant de charge obtenu est utilisé pour alimenter le transformateur sous une autre cellule. Le transformateur sous la cellule 4 est également activé et désactivé par les FET.
