Architecture d'hybridation directe

Le concept d'hybridation directe commence à émerger et fait l'objet de recherches par divers organismes. Les premières recherches portent sur l'hybridation directe de PàC avec des super condensateurs [1–6]. Il semble que d'autres recherches soient consacrées à l'hybridation de PàC avec des batteries au lithium (DLR [7]) pour des applications de transport et notamment pour le secteur aérien. Cependant, aucun article de journal scientifique n'est disponible sur cette thématique d'hybridation directe PàC - batteries lithium à l'heure actuelle. Le fait que des travaux de recherche soient menés sur cette thématique, associé à la difficulté de trouver des publications est un signe que l'hybridation directe PàC - batteries lithium est un sujet porteur et novateur dans le domaine du transport électrique.

Comme cela a été expliqué, le concept d'hybridation directe repose sur le fait de ne pas utiliser d'étage de conversion entre la PàC et le pack de batteries lithium. L'objectif est de diminuer le nombre d'éléments du système, sa masse, son volume ainsi que son coût et d'augmenter son rendement.

La PàC et le pack de batteries lithium sont connectés en parallèle et reliés à la charge (ou à l'utilisateur) comme présenté en Figure 1. Les lois de Kirshhoff impliquent les égalités suivantes :

A tout moment, la tension de la PàC et de la batterie Li-Ion sont égales entre elles et à la tension de la charge. Par ailleurs, le courant reçu par la charge est la somme des courants délivrés par la PàC et la batterie Li-Ion. Le couple tension - courant de chaque élément est a priori inconnu et chaque source réagit naturellement à l'appel de la charge qui leur impose une puissance à fournir. Il faut donc que le couple PàC et batterie Li-Ion soit "compatible", c'est-à-dire que ces deux sources doivent produire une même plage de tension et délivrer des courants proches afin qu'elles se partagent équitablement la puissance demandée par la charge.

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Figure 1 : Schéma de principe de l'hybridation directe d'une PàC et d'une batterie lithium reliées à une charge électrique.

III.1.2.

Comme expliqué dans le chapitre 1, il existe plusieurs types de batteries au lithium qui se différentient notamment par les matériaux d'électrodes et d'électrolytes. La plage de tension de fonctionnement varie légèrement d'un type à un autre et est d'environ 2.5 à 4.1 V. Les paramètres qui varient le plus en fonction des différents types de batteries au lithium sont la résistance interne et l'évolution de l'OCV (tension de circuit ouvert) en fonction de l'état de charge. Ces paramètres influent directement sur la courbe de polarisation de la batterie. En première approximation, on peut décrire la polarisation de la batterie de la façon suivante :

où est la tension de circuit ouvert (OCV) de la batterie à un état de charge (SOC pour State Of Charge) donné, est la résistance interne de la batterie et le courant qui lui est demandé. La courbe de polarisation de la batterie dépend donc en général de son SOC. Dans le cadre de l'hybridation directe, il faut employer un type de batterie dont la courbe de polarisation soit complémentaire à celle de la PàC. En somme, il faut que les deux sources aient une variation relative de tension la plus proche possible et des courants de fonctionnement suffisamment proches. Une cellule de PàC a une plage de tension de 0.5 V à 1 V (voire 0.95 V) en OCV, soit une variation relative de tension de 50 à 100 %. Cependant, la tension nominale de fonctionnement est en général de l'ordre de 0.65 V à 0.7 V, soit une variation relative de tension de 65 ou 70 % à 100 %.

Le marché actuel des batteries au lithium est largement occupé par les batteries au ferro- phosphate LiFePO4 ou utilisant du phosphate comme matériau de cathode. Le principal intérêt de ce matériau est qu'il réduit considérablement la résistance interne des batteries, offrant des courbes de

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décharges très plates (tension de batterie constante de 80 à 20 % SOC) et des courbes de polarisations avec des pentes très faibles.

Les batteries lithium dites "Spinel batteries" utilisent comme matériau de cathode de l'oxyde de manganèse sous la forme LiMn2O4. Les batteries Spinel sont à l'heure actuel parmi les plus utilisées dans les applications automobiles électriques et hybrides [8,9]. L'utilisation du LiMn2O4 présente plusieurs avantages : ce matériau est peu coûteux, il est plus disponible que la plupart des autres matériaux utilisés et il est nettement moins toxique [8,10,11]. Cependant, il souffre d'un désavantage : sa durée de vie. En effet, le dioxyde de manganèse se dissout à mesure que des cycles de charge / décharge sont réalisés, ce qui diminue la capacité de la batterie. Dans le cadre de notre application d'hybridation directe ce type de batterie lithium présente un intérêt certain : une courbe de polarisation relativement compatible avec celle des PàC.

La capacité recherchée est liée au profil de puissance que nous souhaitons imposer au pack de batteries. On rappelle que le système développé pour le banc d'hybridation directe est à échelle 1:20 environ. Le profil de puissance demandé aux batteries comporte un pic de 30 s à 1000 W puis un palier de 600 s à 300 W. La capacité des éléments de batteries à coupler dépend de la tension moyenne des éléments et du nombre d'éléments. Si on considère une tension moyenne de 3.6 V, il faut une capacité comprise entre 2.7 et 3.3 Ah selon que le pack soit constitué de 5 ou 6 éléments. Afin que le système énergétique permette plusieurs décollages ou bien une remise de gaz en cas d'atterrissage manqué ou encore pour avoir une réserve d'énergie en cas de panne de la PàC, la capacité réellement installée doit être nettement supérieure à la capacité minimum de 3.3 Ah. On décide donc d'appliquer un facteur 3 à cette capacité minimum et de rechercher un produit dont la capacité est d'environ 10 Ah. Par ailleurs, l'utilisation de batteries à plus grande capacité permet de leur demander un courant plus important sans risquer de les surcharger.

Un pack de batteries pour vélo électrique d'une capacité de 10.5 Ah et comptant 7 éléments au LiMn2O4 est acquis. L'objectif est de récupérer les éléments de ce pack et d'en retirer le BMS (Battery Management System) afin d'avoir un contrôle total sur les éléments. Un des éléments du pack est déconnecté des autres afin de l'utiliser comme élément de caractérisation. Les spécifications du pack sont résumées dans le Tableau 1.

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Type LiMn2O4

Capacité nominale (Ah) 10.5

Tension nominale (V) 24

Tension de fin de décharge (V) 17.5

Tension de fin de charge (V) 29.4

Courant de décharge nominal (A) 12

Courant maximum instantané de décharge (A) 120 Courant maximum continu de décharge (A) 18

Courant de charge standard (A) 12

Température de décharge (°C) -20 à 50

Masse d’un élément (g) 290

Dimensions (mm) 7 x 67 x 270

Tableau 1 : Spécifications du pack de 7 éléments de batteries lithium utilisé pour la réalisation du banc d'hybridation directe.