Prototypes, réalisations et projets à venir dans le secteur du transport

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-1.2.2.1 : Prototypes, réalisations et projets à venir dans le secteur du transport

Jusque maintenant, c’est l’accumulateur NiMH qui a semblé le mieux convenir au véhicule

hybride. En témoignent la commercialisation mondiale de la Prius par Toyota depuis 1997, véhicule

équipé d’une batterie 6,5 Ah - 21 kW, ou la mise sur le marché aux Etats-Unis du Ford Escape SUV

hybrid depuis 2005. Manifestement, du côté de la technologie lithium-ion, le stade du prototype n’a

pas encore été réellement dépassé. Certes, dans la catégorie voiture de sport, la société Tesla Motor

propose bien un véhicule électrique (figure 1.3) depuis peu, mais ce genre de produits reste confiné

à un marché de niche, et correspond à une fabrication en très petite série compte tenu de son prix

(entrée de gamme à partir de 98000 $). A titre illustratif, quelques données chiffrées caractérisant ce

véhicule sont les bienvenues. Le Roadster de Tesla est propulsé par un moteur à induction de 250 ch

/ 175 kW [13] à 4 paires de pôles, et alimenté par un pack d’éléments lithium-ion de 53 kWh [14].

Le véhicule, qui comporte 6831 éléments lithium-ion (figure 1.4), affiche une autonomie de 320 km

à 400 km, ce qui équivaut à une consommation en hydrocarbure de 1,74 litres pour 100 km. En

outre le simple fait d’assembler un grand nombre d’éléments a réduit l’énergie de chaque élément,

et par là même les risques d’incendie de la batterie. L’ensemble des caractéristiques de ce véhicule

est synthétisé dans le tableau suivant (figure 1.5).

Figure 1.3 : Le véhicule électrique Tesla Roadster [15]

En fait, le taux d’injection des éléments lithium-ion prévu dans les véhicules hybrides est faible.

La société Daimler prévoit effectivement la mise sur le marché d’une version hybride de chaque

modèle de sa gamme pour 2009/2010, mais le rapport des puissances des deux moteurs est

disproportionné : 204 ch / 150 kW pour le moteur à combustion interne et seulement 20 ch / 15 kW

pour le moteur électrique [16].

Chapitre1 : Généralités sur les accumulateurs lithium-ion

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-Figure 1.4 : Eléments lithium-ion dit "batterie 18650" (en raison de ses dimensions : diamètre 18 mm, hauteur 65 mm) équipant le Tesla Roadster [15]

moteur

type asynchrone à 4 paires de pôles

puissance maximale 185 kW

vitesse maximale 13000 tr/min

efficacité ^{90% en moyenne, 80% à la}

puissance maximale

performances

accélération de 0 à 100 km/h en 4 secondes

vitesse de pointe ^{bridée électroniquement à}

200km/h

autonomie

394 km en moyenne

cycle combiné : 252 km en ville

et 236 km sur voie rapide

masse 1220 kg

batterie

type lithium-ion dite "18650"

nombre de cellules 6831

durée de charge totale 3,5 h

durée de vie sans chute de

performance ^{100000 miles (i.e. 160000 km)}

énergie 53 kWh

masse 400 - 450 kg

Chapitre1 : Généralités sur les accumulateurs lithium-ion

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-Ces chiffres peuvent décevoir dans le sens où la Toyota Prius peut se prévaloir d’être un vrai

hybride (appelé aussi hybride complet). Pour le moment c’est la seule, avec le Ford Escape, à

fonctionner aussi bien avec le moteur électrique (67 ch / 50 kW), qu’avec le moteur thermique

(78 ch / 57 kW), ou les deux simultanément [17]. A titre indicatif le tableau suivant (figure 1.6)

compare les caractéristiques des trois précédentes technologies (Toyota Prius (figure 1.7), Ford

Escape hybrid (figure 1.8), Tesla Roadster). En outre, il permet de mieux apprécier les valeurs

numériques associées au véhicule de Tesla, à savoir une autonomie honorable et une puissance

confortable.

véhicule Prius NHW20 ^{Ford Escape}

SUV hybrid ^{Tesla Roadster}

technologie NiMH NiMH lithium-ion

fabricant Panasonic Co ^{Sanyo Electric}

Co

nombre de cellules 168 250 6831

masse de la batterie (kg) 45 50 400

tension nominale d'une cellule (V) 1,2 1,32 3,75

tension nominale du système (V) 201,6 330 375

capacité nominale de la batterie (Ah) 6,5 5,5 152

puissance du moteur électrique (kW) 50 70 185

puissance du moteur thermique (kW) 57 100 0

puissance combinée (kW) 82 150 185

autonomie électrique 2 km à 50 km/h ^{2,4 km à 50}

km/h ^{400 km}

Figure 1.6 : Comparaison de différentes technologies de véhicules hybrides et électrique [15] [18] [19]

Chapitre1 : Généralités sur les accumulateurs lithium-ion

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-Figure 1.8 : Le Ford Escape SUV hybrid [20]

Toujours dans le domaine du transport, le groupe Daimler Chrysler révèlera cette année (2008)

son premier prototype de bus diesel-électrique. Le prototype sera basé sur le bus Mercedes Citaro G

[21]. Il sera uniquement capable de rouler en mode électrique, le moteur diesel servant de

générateur d’électricité si nécessaire. L’électricité sera stockée dans des batteries lithium-ion

montées sur le toit du Citaro. Leur recharge sera assurée non seulement par le moteur diesel, mais

aussi par l’énergie récupérée lors des freinages. La puissance d’entraînement des roues sera assurée

par quatre moteurs électriques sur le centre et les axes arrière.

Figure 1.9 : Version thermique du bus Citaro [22]

La commercialisation à grande échelle de véhicules hybrides à base de batteries lithium-ion,

commence seulement à s’esquisser. A n’en pas douter, la mutation des constructeurs vers des

véhicules hybrides sera lente, et la part occupée, en terme de puissance, par le moteur électrique sur

la puissance totale (moteur thermique et moteur électrique) augmentera progressivement [23] [24].

Chapitre1 : Généralités sur les accumulateurs lithium-ion

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-En outre, les raisons du retard de la mise sur le marché automobile sont multiples. Bien sûr, comme

toutes les nouvelles technologies, le coût (40$ pour le kWh sous forme NiCd, 350$ pour la

technologie NiMH, 450$ pour les cellules lithium-ion), et la duré de vie des éléments sont encore

pénalisants. Mais c’est bel et bien la sécurité le critère rédhibitoire. Personne n’a oublié le rappel de

millions de batteries lithium-ion Sony, ce retour au fournisseur a causé un lourd préjudice financier

et a terni l’image de marque auprès des consommateurs. Si une voiture hybride transportant une

famille venait à prendre feu, le fiasco médiatique pourrait sérieusement compromettre la crédibilité

de la technologie dans le secteur [25].

Seule la société A123 Systems basée au Massachusetts se montre très optimiste quant à

l’avènement de la technologie lithium-ion dans la branche automobile. Le constructeur américain

General Motors a d’ailleurs renforcé sa collaboration avec cette société, et cette association devrait

permettre d'avancer la commercialisation de voitures développées sur le modèle du concept-car

Chevrolet Volt de General Motors. A l’origine, les batteries lithium-ion de A123 Systems sont

utilisées sur toutes sortes d'outils électriques sans fil (perceuses, ponceuses, scies…). Ce sont des

batteries produites selon la technologie nano-phosphate, un procédé complètement différent de celui

utilisé habituellement [25]. Effectivement, avec l’association d’un grand nombre de petites cellules

(comme pour le Tesla Roadster), le choix des matériaux de cellule et la chimie associée sont les

deux actions de levier pour parer au risque d’incendie. Grâce à sa nanotechnologie, A123 Systems

propose des cellules dont la cathode est à base de phosphate (figures 1.10, 1.11 et 1.12). D’une part

le coût du composé reste très abordable, d’autre part la liaison entre le fer, le phosphate et l’oxygène

est bien plus solide que celle entre le cobalt et l’oxygène. Les atomes d’oxygène, comburant

intrinsèque à la cathode, sont donc bien plus difficiles à "arracher" en cas de surcharge, de sorte que

l’alimentation de la combustion se voit ainsi dégradée. Par conséquent, en cas de défaut,

l’emballement thermique est moindre.

Chapitre1 : Généralités sur les accumulateurs lithium-ion

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-capacité nominale (Ah) 2,3

tension nominale (V) 3,3

impédance interne à1 kHz (mΩ) 8

résistance interne à10A continu (mΩ) 10

charge standard recommandée 3 A pendant 45 min

charge rapide recommandée ^{10 A pendant 15}

min

courant de décharge maximum continu (A) 70

courant de décharge maximum pulsé (A) 120

nombre de cycles à 10 C > 1000

tension de fin de charge à 25°C 3,6

tension de fin de charge en dessous de 0°C 4,2

température d'opération (°C) -30°C à 60°C

température de stockage (°C) -50°C à 60°C

masse de la cellule (kg) 0,07

diamètre (mm) 26

hauteur (mm) 65,5

Figure 1.11 : Caractéristiques des cellules M1 de la société A123 Systems [26]

Figure 1.12 : Profils de décharge des éléments M1 de la société A123 Systems [26]

Dans le document Modélisation électrique et énergétique des accumulateurs Li-Ion. Estimation en ligne de la SOC et de la SOH (Page 32-37)