Le stockage de l’énergie électrique

2.3.2.1 Introduction

La définition du système de stockage temporaire d’énergie est stratégique dans le développement de chaînes de traction hybrides. En effet, ce système doit permettre de stocker et de restituer de l’énergie électrique à des niveaux de puissance suffisants pour permettre l’optimisation du rendement du véhicule, garantir les performances dynamiques et l’autonomie ZEV fixées et être dimensionné au strict nécessaire pour limiter son coût et faciliter son intégration sur les plateformes automobiles (minimi-ser son volume, sa masse et garantir la sûreté de fonctionnement).

Deux principaux moyens de stockage de l’énergie électrique ont été développés : — les super-capacités qui présentent de très fortes puissances spécifiques et de

faibles capacités énergétiques. Elles sont utilisées, par exemple, en micro hy-bridation pour assurer les fonctions de Stop and Start des véhicules du groupe PSA,

— les batteries que l’on rencontre le plus fréquemment pour l’application véhicule électrique et hybride HEV - PHEV et que l’on prendra comme référence dans le cadre de ce projet.

Les performances de ces dernières sont conditionnées par la nature de la technologie de cellules utilisées. La Figure 2.3.3 [28] présente une comparaison des performances en termes de densité d’énergie.

Figure 2.3.3 – Comparaison des différentes technologies de batteries en termes de densité d’énergie massique et volumique

Si les batteries au plomb du fait de leur coût demeurent les plus utilisées dans le domaine automobile en particulier pour stocker l’énergie nécessaire au démarrage des moteurs thermiques et à l’alimentation du réseau de bord des véhicules conven-tionnels, l’avènement des véhicules électriques et hybrides a conduit les industriels à

développer d’autres types de technologies présentant des performances supérieures en termes d’énergie spécifique.

Les batteries Ni-Cd ont eu leurs heures de gloire, avec notamment leurs indus-trialisations pour la production de 10 000 véhicules électriques par le groupe PSA jusqu’en 2005, date à laquelle la toxicité du Cadmium a été reconnue par la Com-mission Européenne conduisant à l’arrêt de cette technologie de batterie.

Les premiers véhicules hybrides Toyota, Peugeot et Citroën ont été construits autour de technologies de batterie NiMH maintenant supplantées par les batte-ries Li-ion dont les densités d’énergie volumique et massique sont actuellement les meilleures du marché. Leur développement est en plein essor pour le domaine du transport mais aussi pour les technologies nomades (téléphones portables, GPS, . . . ) générant d’année en année une augmentation des volumes de production et par voie de conséquence une diminution des coûts, ce qui rend cette technologie de plus en plus compatible avec un marché de masse.

2.3.2.2 Définition des principales grandeurs caractéristiques d’une batterie

On se limitera à présenter les caractéristiques de batterie qui ont été nécessaires à la mise en œuvre des calculs de performance énergétique du véhicule, soit :

— la capacité totale de stockage Q0 : elle correspond à la quantité de charge électrique que la batterie est capable de restituer après avoir reçu une charge complète, avec un courant de décharge constant, une tension d’arrêt et une température définies. Elle s’exprime en Coulomb ou en Ah.

— la tension à vide Ebatt (ou force électromotrice) désigne la tension d’équilibre de la batterie au repos. Elle est liée à la différence de potentiel, exprimé en Volt, entre les électrodes positives et négatives à l’équilibre de chaque cellule. Elle dépend de différents paramètres telle que de la nature du couple redox, de la température, de l’état de charge, du nombre de cellules...

— l’énergie totale stockée Jbatt correspond au produit de la capacité totale Q0

par la tension à vide Ebatt.

— l’état de charge que l’on notera x, couramment appelé SOC de l’anglais State Of Charge indique la capacité batterie disponible par rapport à la capacité totale de la batterie. Il s’exprime comme un ratio ou un pourcentage.

2.3.2.3 Le rendement des batteries

On distingue 2 types de rendement, le rendement faradique et le rendement éner-gétique.

— Le rendement faradique correspond au rapport entre la quantité d’électricité (en Ah) débitée à la décharge et la quantité d’électricité fournie lors de la charge de la batterie. Il représente les pertes liées à l’apparition de réactions se-condaires générant des courants de fuite au niveau des électrodes qui viennent concurrencer les réactions principales nécessaires au stockage de l’énergie. — Le rendement énergétique contrairement au rendement faradique fait intervenir

2.3 Les composants des chaînes de traction hybride

et l’énergie de charge qu’il faut fournir à la batterie pour retrouver son niveau d’état de charge initial. Il traduit les pertes sous forme de chaleur liées à la nature exothermique des réactions à chaque électrode et par effet Joule, conséquence de la résistance interne des cellules et des circuits électriques de la batterie.

2.3.2.4 Modélisation des batteries

Les modèles peuvent être utilisés pour aider à la compréhension des phénomènes physico-chimiques, simuler les processus de vieillissement pour estimer des durées de vie, ou encore pour aider au dimensionnement d’un pack batterie et de son système de refroidissement. On va s’intéresser ici aux modèles énergétiques associés aux batteries Li-ion. En général, ils s’appuient sur des représentations par des circuits électriques équivalents dont les paramètres sont fonction du temps. Ces modèles sont plus ou moins complexes en fonction des phénomènes physiques que l’on veut intégrer (réactions électrochimiques, mécanismes de diffusion, ...). Dans notre cas, on s’attachera à utiliser un modèle simplifié couramment utilisé dans le cadre des calculs énergétiques pour l’application automobile. Deux hypothèses simplificatrices liées à la nature même des cellules Li-ion sont exploitées :

— le rendement faradique peut être négligé car très proche de 100%, alors qu’il n’est que de 85 à 90% pour les batteries Plomb par exemple.

— les réactions électrochimiques exothermiques sont suffisamment faibles pour être négligées.

En conséquence, il est communément admis de modéliser la batterie par un circuit équivalent à un générateur / accumulateur parfait (fem) en série avec une résistance comme illustré sur la Figure 2.3.4.

h

Z_ďĂƚƚ

_ďĂƚƚ

/_ďĂƚƚ

Figure 2.3.4 – Schéma d’un modèle de batterie simplifié Ce modèle s’exprime, selon une convention générateur, par la relation :

U = Ebatt+ RbattI_batt (2.3.12)

Les grandeurs Ebatt et Rbatt correspondent à des données fournisseur déterminées expérimentalement. Elles sont fonction de l’état de charge de la batterie, du sens du courant et de la température.

En multipliant les deux membres de cette égalité par Ibatt, on identifie facilement les pertes Joules (RbattI2

batt) engendrées par la résistance interne de la batterie Rbatt, soit :

P_batt = UIbatt = EbattI_batt+ RbattI_batt² (2.3.13) Le modèle de batterie intégré aux simulations pour le calcul des consommations optimales sera détaillé au paragraphe 3.4.3.