Profils de validation

Les profils routiers utilisés dans ces essais ont été mis à disposition par la plateforme simulation véhicule d’IFPEN. Il s’agit de profils Arthemis Urbain d’un véhicule plug-in hybride Flexhybrid, capable de rouler en mode hybride (HEV) ou électrique pur (ZEV). L’intérêt de ce type de profil est donc de pouvoir tester séparément des cellules en mode ZEV et en mode HEV. Cependant, ces profils correspondent à des sollicitations d'un pack (ensemble de cellules en série et/ou parallèle) de véhicule électrifié ; il est nécessaire de concevoir un dimensionnement de ce pack pour se ramener à des sollicitations à l'échelle d'une seule cellule.

La Figure 2-14 représente à gauche un profil de base HEV composé de courtes phases de décharge (sollicitation de la batterie) et de recharge (régénération durant les phases de freinage par exemple) afin que la batterie fonctionne autour d’un SOC moyen (60 % ici). La figure de droite représente le profil de base ZEV d’un véhicule 100 % électrique où la batterie se décharge progressivement (de 90 à 80 % de SOC) avec quelques pics de recharge correspondant à la régénération au freinage.

Figure 2-14. Profils de base HEV (gauche) et ZEV (droite) issus de la plateforme simulation véhicule d'IFPEN avec le courant en rose et le SOC en bleu.

D.1.1. Profil ZEV

Afin de dimensionner un pack batterie à partir de nos cellules, le dimensionnement des essais de validation du modèle initial sur cellule C/LFP (Tableau 2-8) a été utilisé comme base de calcul.

-40

1 201 401 601 801 1001 1201 1401 1601 1801 2001

Temps (s)

220 320 420 520 620 720 820 920

Temps (s)

Tableau 2-8. Caractéristiques du dimensionnement d'un pack batterie en fonctionnement ZEV à partir de cellule C/LFP de 2 Ah établies pour les essais de validation du modèle nominal.

Cellule ^{Capacité 2 Ah} Tension nominale 3,3 V

Nombre en série 70

Nombre en parallèle 10

Profil unitaire Courant max en charge (régime) 8 (4 C) A Courant max en décharge (régime) 20 (10 C) A

Durée 11,5 min

Variation de SOC 17,5 %

Pack ^{Tension 230 V}

Capacité 20 Ah

Energie 4,6 kWh

En fonction des caractéristiques de la cellule (Capacité et Tension nominale), on ajuste le nombre de cellules mises en série et en parallèle pour avoir des courants de sollicitation en adéquation avec les régimes maximum que peut subir la cellule d’après le constructeur. Le profil de base étant un profil puissance du pack, on obtient ces courants maximaux en calculant le profil courant parcourant une cellule de la façon suivante :

Profilcourant, cellule= Profilpuissance

U3455654×Nombre cellules série×Nombre cellules parallèle ^{Eq. 68}

Les performances du pack sont quant à elles calculées selon ces relations : Tensionpack= Tensioncellule×Nombre cellules série Capacitépack= Capacitécellule×Nombre cellules parallèle Energiepack= Tensionpack×Capacitépack

Eq. 69

La pack ainsi dimensionné correspondrait à celui de voitures plug-in hydrides PHEV telle que la Golf GTE (8,8 kWh) ou la Toyota Prius (4,4 kWh) qui seraient sollicitées en mode 100 % électrique, ou bien celui de la Renault Twizy 100 % électrique (6,1 kWh - 60 V).

Les profils de nos cellules ont été dimensionnés à partir des paramètres du Tableau 2-8 en adaptant le nombre de cellules en série et en parallèle pour garder des caractéristiques similaires d’un pack, de cette façon :

- LFP 20 Ah : le nombre de cellules en parallèle a logiquement été divisé par 10 pour garder la même capacité de pack qu’avec les cellules de 2 Ah.

- NCO 2 Ah : les performances de cette cellule en terme de courant sont moindres que celle de la cellule A123 Systems de 2 Ah (courant maximal en charge d’environ 30 A pour la NMC 2 Ah, bloquant pour le HEV décrit dans la section suivante). Le pack a donc été dimensionné de façon à avoir des courants divisés par deux.

- NMC 40 Ah : de la même manière qu’avec la haute capacité LFP, le nombre de cellules en parallèle a été divisé par 20 pour garder les mêmes caractéristiques de pack.

Les caractéristiques de ces dimensionnements sont détaillées dans le Tableau 2-9.

Il est à noter que du fait de la variation de SOC moins importante sur NMC que sur LFP (décharge de 8 % au lieu de 15 % sur LFP), chaque profil unitaire sera déroulé deux fois de suite sur les cellules NMC.

Tableau 2-9. Caractéristiques des packs batterie dimensionnés pour les profils ZEV de la campagne d’essais.

C/LFP C/NCO C/NMC

Cellule ^{Capacité Ah 20 2 40} Tension nominale V 3,3 3,7 3,7

Nombre en série 70 54 54

Nombre en parallèle 1 1 20

Profil unitaire Courant max en

charge (régime) A 70 (3,5 C) 4 (2 C) 80 (2 C)

Courant max en

décharge (régime) A 170 (8,5 C) 10 (5 C) 200 (5 C)

Variation de SOC % 15 8 8

Pack ^{Tension V 230 200 200}

Capacité Ah 20 40 40

Energie kWh 4,6 8 8

D.1.2. Profil HEV

Le même travail a été effectué avec le profil HEV avec quelques différences dans le dimensionnement des cellules du fait du caractère plus sollicitant (courants plus importants) de ce profil. Les différents profils ont été dimensionnés à partir de celui de la LFP 2 Ah (Tableau 2-10), déjà testée pour la validation du modèle initial, de la manière suivante :

- LFP 20 Ah : en ajustant le nombre de cellules pour garder les mêmes caractéristiques du pack, les courants mis en jeu auraient été multipliés par 10 (soit 700 A en décharge), devenant bien trop importants pour être cyclés sur notre matériel à disposition. Cet obstacle peut être expliqué par le fait que des cellules de trop grosse capacité soient plutôt adaptées pour un usage électrique (ZEV) du fait de leur grande autonomie, plutôt que pour de l’hybridation. Cette configuration n’a donc pas été retenue.

- NCO 2 Ah : le même choix de dimensionnement que pour le profil ZEV a été pris pour cette cellule afin de diviser par deux les courants de sollicitation.

- NMC 12 Ah : pour la même raison que la cellule LFP 20 Ah, nous avons décidé de remplacer la cellule NMC de 40 Ah par cette cellule de plus faible capacité, mieux adaptée à une utilisation hybride. Le nombre de cellules en parallèle a été divisé par 6, pour garder le même pack.

Tableau 2-10. Caractéristiques des packs batterie dimensionnés pour les profils HEV de la campagne d’essais C/LFP

(déjà testée sur le modèle initial)

C/NCO C/NMC

Cellule ^{Capacité Ah 2 2 12} Tension nominale V 3,3 3,8 3,8

Nombre en série 60 70 70

Nombre en parallèle 4 6 1

Profil unitaire Courant max en

charge (régime) A 30 (13 C) 15 (7,5 C) 90 (7,5 C)

Courant max en

décharge (régime) A 70 (30 C) 34 (17 C) 200 (17 C)

Pack ^{Tension V 200 266 266}

Capacité Ah 8 12 12

Energie kWh 1,6 3,2 3,2