Batterie

2.2.1 Grandeurs caractéristiques des batteries pour une approche système 2.2.1.1 Enveloppe de fonctionnement de la batterie

L’enveloppe de fonctionnement de la batterie représentée dans la Figure 2-1, récapitule quelques-unes des principales caractéristiques de la batterie lorsqu’on la considère comme un composant du système véhicule. Cette enveloppe de fonctionnement est exprimée en fonction de l’état de charge de la batterie SOC (State Of Charge) et de la puissance maximale en charge et en décharge.

Le SOC est l’image de la capacité adimensionnée par la capacité maximale de la batterie. Les courbes de puissances maximales sont déterminées de telle sorte que lorsque la batterie est sollicitée avec de telles puissances, ses limites en intensité et en tension ne soient pas dépassées. On pourra remarquer que les courbes de puissance en charge et en décharge ont des comportements symétriques, i.e. lorsque l’état de charge augmente la courbe de puissance maximale en charge à tendance à diminuer alors que la courbe de puissance maximale en décharge a tendance à augmenter. Ces évolutions sont en partie dues à l’évolution de la tension à vide de la batterie qui augmente lorsque l’état de charge augmente, ce qui diminue l’écart entre la tension à vide et la tension maximale de la batterie (et donc la puissance en charge) et augmente l’écart entre la tension à vide et la tension minimale de la batterie (et donc la puissance en décharge). Des détails et des données chiffrées sur les limites de fonctionnement (en courant, en tension, en puissance) seront donnés pour un cas précis dans le chapitre sur le dimensionnement de la batterie (voir 5.4).

Figure 2-1 Exemple d’enveloppe de fonctionnement de la batterie pour la GM Chevrolet Volt [Matthé et al. (2011)]

2.2.1.2 Plage d’utilisation de l’état de charge de la batterie

Comme l’illustre la Figure 2-1, le fonctionnement de la batterie n'est pas uniquement limité par des notions de puissances maximales mais également par des notions de plage d’utilisation en état de charge. Ces limitations ont deux raisons principales.

La première réside dans la corrélation qui existe entre l’évolution des limitations en puissance et l’état de charge, un état de charge faible se traduira par une puissance de décharge très faible, alors qu’un état de charge élevé se traduira par une puissance de recharge très faible. Par conséquent, l’utilisation de la batterie sur un état de charge intermédiaire permettra de réaliser un compromis au niveau de la disponibilité de la puissance en charge et en décharge.

La seconde raison de limitation de la plage d’utilisation de la batterie a pour objectif de protéger la batterie de dégradations pouvant intervenir pour des états de charges extrêmes et pouvant se traduire par un vieillissement accéléré de la batterie (voir 2.2.3).

Les plages d’utilisation retenues dans le cadre de cette thèse sont récapitulées dans le Tableau 1-1 et sont inspirées des différentes préconisations de plage d’utilisation de l’état de charge trouvées dans la littérature [Soria et al. (2007), Nelson et al. (2011), Burke and Van Gelder (2008)] selon le type de véhicule (degré d’électrification), l’usage envisagé de la batterie (CS, CD) et la technologie batterie (plomb, Ni-MH, Li-ion).

L’inconvénient de ces plages d’utilisation réside dans le fait que l’énergie utile peut être très inférieure à l’énergie totale de la batterie et que l’énergie à priori « inutilisée » ajoute un surcoût et un surpoids au véhicule.

2.2.1.3 Grandeurs de performances spécifiques

Enfin, le diagramme de Ragone est souvent utilisé dans les phases de choix technologiques afin de comparer les performances de différentes cellules batterie en termes d’énergie et de puissance spécifiques (voir Figure 2-2). Lors des phases de dimensionnement, le rapport P/E, défini comme le rapport entre la puissance spécifique et l’énergie spécifique de la cellule, est également utilisé afin de caractériser le typage de la batterie ou de la cellule. Un typage puissance (P/E > 20) sera dédié à des

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applications micro- et mild-hybrid alors qu’un typage énergie sera utilisé dans des applications plug-in (P/E entre 2 et 4).

Figure 2-2 Diagramme de Ragone de différentes batteries de traction [Broussely (2002)]

2.2.2 Aperçu des différentes technologies de batterie

Parmi les nombreuses technologies d’accumulateurs électrochimiques réversibles (voir Figure 2-3), nous ne nous intéresserons ici qu’aux technologies actuellement les plus employées dans l’électrification des véhicules. Nous aborderons donc, dans cette partie, les accumulateurs de type Plomb, Ni-MH et Li-ion.

Figure 2-3 Evolution de l’énergie spécifique des batteries rechargeables [Teyssot (2011)]

2.2.2.1 Accumulateurs Plomb

Les batteries au plomb sont aujourd’hui principalement utilisées dans les véhicules particuliers en tant que batterie de démarrage. Ces batteries au plomb traditionnelles ne supportent pas les profondeurs de décharge trop importantes et sont très sensibles à la recharge [Cugnet (2008)]. Une évolution de ces batteries sous la forme de pack de type VRLA (Valve Regulated Lead Acid) profère une meilleure résistance à la décharge et permet l’utilisation de la technologie plomb sur des véhicules hybrides à faible degré d’hybridation type micro-hybrid, comme c’est le cas du système Valeo i-StARS. Pour des applications hybrides nécessitant une énergie embarquée plus importante, la faible énergie spécifique des batteries plomb est un inconvénient (Figure 2-3). Cependant des batteries plomb de nouvelle génération sont aujourd’hui envisagées pour des véhicules de type mild-hybrid ne

nécessitant pas de grande quantité d’énergie stockée et pour lesquels le plomb, du fait de son faible coût présente des performances intéressante en termes de réduction du CO2 ramené à l’investissement.

2.2.2.2 Accumulateurs Ni-MH

Les batteries Ni-MH (Nickel-Métal Hydrure) ont été majoritairement utilisées jusqu'à présent dans les HEV (Toyota Prius, Honda Civic et Insight) et sont désormais éprouvées en termes de vieillissement et de sécurité [Axsen et al. (2010)]. Cependant leur faible énergie spécifique ne convient pas à un usage dans les véhicules à forte hybridation (PHEV, EREV).

2.2.2.3 Accumulateurs Li-ion

Le Lithium est un métal très réducteur et possédant une capacité massique très importante (3800 Ah/kg) [Badin et al. (2012)]. De ce fait, il présente un potentiel intéressant pour une utilisation dans un accumulateur électrochimique à forte énergie spécifique et donc pouvant répondre aux besoins des véhicules rechargeables. La réalisation d’accumulateurs à base de Lithium pourra être obtenue sous deux formes : soit sous forme Li-ion, le lithium étant utilisé sous forme ionique venant s’insérer dans l’une ou l’autre des électrodes selon la phase de charge ou de décharge, soit sous forme Li-métal-polymère (LMP), l’électrode négative étant sous forme de Lithium métallique et l’électrolyte étant un polymère.

Nous ne nous intéresserons ici qu’aux technologies Li-ion qui représentent la majorité des applications et des travaux de recherche pour les véhicules rechargeables. On pourra notamment citer l’utilisation d’un pack Li-ion de 16 kWh (LG Chem) dans la GM Chevrolet Volt. Parmi les nombreux matériaux d’insertion utilisable en Li-ion (voir un aperçu en Figure 2-4), nous avons décidé, dans le cadre de cette thèse, de travailler sur la technologie Lithium-Nickel-Manganese-Cobalt (NMC) qui présente un bon équilibre entre énergie spécifique, puissance spécifique, vieillissement, sécurité et coût.

Figure 2-4 Comparaison de différentes chimies pour les batteries Li-ion [BCG (2010)]

2.2.3 Les verrous technologiques pour les accumulateurs Li-ion

Comme l’illustre la Figure 2-4 ci-dessus, les accumulateurs Li-ion présentent quelques verrous technologiques sur lesquels des progrès doivent être réalisés afin que les accumulateurs Li-ion soient largement utilisés.

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Le premier frein à une utilisation massive des accumulateurs de type Li-ion est leur coût. Ce coût est estimé dans un futur proche [Anderman (2012)] à environ 850 $/kWh pour un pack de véhicule hybride non rechargeable (450 $/kWh pour les cellules) et entre 400 et 550 $/kWh pour un pack de véhicule électrique de 24 kWh selon les volumes de production (290 et 400 $/kWh pour les cellules).

Des travaux sont également nécessaires afin d’améliorer l’énergie et la puissance spécifique des accumulateurs Li-ion (voir Figure 2-2). Cette amélioration pourra notamment passer par la diminution de la masse de la matière non active de la cellule (enveloppe, connectique) et de celle du pack (enceinte, BMS).

Le vieillissement des accumulateurs rechargeables est également une problématique activement étudiée [Montaru (2009), Badin (2009)]. D'un point de vue électrochimique le vieillissement des accumulateurs de type Li-ion peut être expliqué par différents mécanismes se déroulant à l'anode, à la cathode, au niveau de l'électrolyte ou encore au niveau des collecteurs de courant. Ce vieillissement aura deux principaux effets sur les performances de l'accumulateur : l'augmentation de son impédance et la diminution de sa capacité. Il sera donc nécessaire de quantifier la dégradation des performances entre l’état neuf BoL (Begin Of Life) et l’état en fin de vie EoL (End Of Life) afin de dimensionner la batterie en conséquence (voir Figure 2-5). Le vieillissement peut être accéléré par différents facteurs tels que les températures extrêmes (à l'usage comme au stockage), des régimes de charge et/ou de décharge trop importants, l'état de charge de fonctionnement ainsi que des variations de cet état de charge.

Figure 2-5 Définition de la durée de vie de la batterie [Teyssot (2011)]

Enfin les accumulateurs Li-ion sont des éléments sensibles et le dépassement des limitations de fonctionnement (en tension, en température, en courant) peut être à l’origine d’un emballement thermique pouvant à terme engendrer un incendie ou le dégagement de gaz toxique. La sécurité de fonctionnement est donc un point capital dans l’utilisation des accumulateurs Li-ion.

Afin de maîtriser les problèmes liés à la sécurité et au vieillissement des accumulateurs Li-ion, la mise en place d’un outil de supervision de la batterie sera nécessaire (BMS, voir 2.2.4.2).

2.2.4 Le pack batterie 2.2.4.1 De la cellule au pack

La construction d’un pack batterie consiste à assembler des cellules, dont les caractéristiques sont définies par le fabricant, de telle sorte que le pack batterie réponde aux exigences définies par le constructeur du véhicule (tension nominale, puissance et énergie du pack, refroidissement, encombrement). Les cellules pourront être assemblées en modules qui seront ensuite assemblés pour réaliser le pack (voir Figure 2-6). Ces assemblages pourront être réalisés en connectant les cellules ou les modules en série (augmentation de la tension du pack) ou en parallèle (diminution du courant dans les branches), suivant les niveaux de tension et de courant souhaités.

Au-delà de l’assemblage des cellules (ajout de connectiques), le pack batterie doit également intégrer les fonctions de gestion thermique (système de refroidissement et de chauffage des cellules), de protection physique du pack (enceinte de protection) et de contrôle (BMS), qui auront pour conséquence la dégradation de l’énergie et de la puissance spécifique de celui-ci.

Figure 2-6 Exemple de structure d’un pack de batteries pour un projet VE [Perrin (2009)]

L’intégration de plusieurs cellules au sein d’un pack peut engendrer des problèmes notamment dus à la dispersion des performances des cellules. Cette dispersion pourra aboutir à des différences de comportement d’une cellule à une autre pour une même sollicitation. Par exemple, une cellule dont l’état de charge est plus faible que les autres pourra dégrader les performances de l’ensemble du pack.

Afin de minimiser ces risques l’utilisation d’un BMS sera indispensable.

2.2.4.2 Le BMS – système de gestion de la batterie

Le BMS (Battery Management System) est un système électronique se trouvant à l’interface entre le superviseur véhicule (gestion de l’énergie, commande des actuateurs) et le pack batterie.

Le BMS assure un rôle de surveillance de la batterie afin de limiter les incursions dans des zones de courants, de tensions ou de températures critiques. Cette surveillance est réalisée à des fins de sécurité (emballement thermique), mais également afin de ralentir le vieillissement des cellules, et d’optimiser leur capacité.

De plus, le BMS doit communiquer en temps-réel des informations concernant l’état de la batterie (température), une estimation de ses performances (puissance disponible, énergie disponible) en fonction de la température du pack ou des cellules, et enfin une estimation de l’état de charge (SOC) et de l’état de santé (SOH).

Enfin, le BMS peut également piloter le système de refroidissement de la batterie ainsi que l’équilibrage des cellules.

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2.2.5 Choix de la technologie de la batterie retenue dans le cadre de la thèse

Deux technologies batterie différentes ont été retenues dans le cadre de cette thèse afin de s’adapter aux fonctionnalités des véhicules étudiés. Pour le véhicule conventionnel, compte tenu de la quantité d’énergie et des besoins en puissance nécessaires et en prenant en compte l’aspect coût, une batterie au plomb a été sélectionnée (voir caractéristiques et données en 5.4.5). Pour les véhicules hybrides rechargeables (PHEV) et non rechargeables (FullHybrid), nous avons fait le choix d’utiliser la technologie de type Li-ion et plus précisément de type NMC comme nous l’avons vu précédemment. Cette technologie a été retenue compte tenu de ses bonnes performances en densité énergétique et en puissance spécifique. Plus de détails sur ces cellules seront donnés dans le chapitre traitant du dimensionnement de la batterie (voir 5.4.1).