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MESURE DE L'ETAT DE CHARGE D'UNE BATTERIE PAR COULOMETRIE CORRIGÉE PAR IMPÉDANCEMÉTRIE

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Submitted on 14 Sep 2018

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MESURE DE L’ETAT DE CHARGE D’UNE

BATTERIE PAR COULOMETRIE CORRIGÉE PAR IMPÉDANCEMÉTRIE

Samuel Nugues

To cite this version:

Samuel Nugues. MESURE DE L’ETAT DE CHARGE D’UNE BATTERIE PAR COULOMETRIE CORRIGÉE PAR IMPÉDANCEMÉTRIE. Energie électrique. Institut National Polytechnique Greno- ble (INPG), 1996. Français. �tel-01874149�

(2)

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D 051 0978897

"

THESE

présentée par

Samuel NUGUES

Pour obtenir le grade de:

DOCTEUR

DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE

(Arrêté ministériel du 30 mars 1992)

Spécialité: GENIE ELECTRIQUE

MESURE DE L'ÉTAT DE CHARGE

,

D'UNE BATTERIE PAR COULOMETRIE

, , ,

CORRIGEE PAR IMPEDANCEMETRIE

Date de soutenance: 09 Octobre 1996

Composition du jury:

Mr J. L. AUCOUTURIER Mr G. CHAUMAIN Mr L. DESSEMOND Mr B.MULTON Mr D. RICHER Mme E. RULLIERE

Mr J. C. SABONNADIERE Mr J. P. YONNET

Rapporteur Examinateur Examinateur Rapporteur Examinateur Examinateur Président du jury Examinateur

Thèse réalisée au sein du Laboratoire d'Électrotechnique de Grenoble financée par

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THÈSE

présentée par

Samuel NUGUES

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE

(Arrêté ministériel du 30 mars 1992)

Spécialité: GENIE ELECTRIQUE

"

MESURE DE L'ETAT DE CHARGE

"

D'UNE BATTERIE PAR COULOMETRIE CORRIGÉE PAR IMPÉDANCEMÉTRIE

RENAULT

Date de soutenance: 09 Octobre 1996

Composition du jury:

Mr J. L. AUCOUTURIER Mr G. CHAUMAIN Mr L. DESSEMOND Mr B. MULTON Mr D. RICHER Mme E. RULLIERE

Mr J. C. SABONNADIERE Mr J. P. YONNET

L EG

Rapporteur Examinateur Examinateur Rapporteur Examinateur Examinateur Président du jury Examinateur

Ademe

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REMERCIEMENTS ...

Je tiens tout d'abord à remercier les membres de mon jury en commençant par Monsieur Jean- Claude Sabonnadière qui m'a fait l'honneur de présider ce jury de thèse et aussi pour m'avoir accueilli au sein du Laboratoire d'Électrotechnique de Grenoble qu'il dirige,

- Monsieur Jean-Louis Aucouturier, Professeur de l'université de Bordeaux, qui m'a fait l'honneur d'être rapporteur,

- Monsieur Bernard Multon, Professeur de l'ENS de Cachan, qui m'a fait l'honneur d'être rapporteur et avec qui j'ai pris plaisir à discuter,

- Monsieur Gérard Chaumain, Ingénieur ADEME, qui m'a fait l'honneur d'être membre du jury et qui m'a permis ce cofinancement pendant ces (2+ 1) ans,

- Monsieur Laurent Dessemond, Maître de Conférence au LEPMI, qui m'a fait l'honneur d'être membre du jury, qui m'a consacré du temps et qui m'a permis de bénéficier de ses explications en électrochimie, un domaine qui m'était totalement étranger jusque là,

- Monsieur Didier Richer, Ingénieur Renault, qui m'a fait l'honneur d'être membre du jury et qui m'accueilli à Trappes dans l'équipe de Renault Véhicule Électrique pendant ces quelques semaines,

- Monsieur Jean-Paul Yonnet, Directeur de Recherche CNRS/LEG, qui m'a fait l'honneur d'être membre du jury. li a su me réserver un peu de son temps, si précieux, pour répondre à mes différentes demandes,

- Madame Élisabeth Rullière, Maître de Conférence au LEG, qui m'a fait l'honneur d'être membre du jury. Mais surtout je veux la remercier pour m'avoir encadré, supporté et soutenu durant cette thèse et pour m'avoir toujours réservé de son temps et de ses vacances pour m'aider à mener à bien la grande aventure qu'a représenté cette thèse. Nos grandes discussions sur la Bourgogne et sur bien d'autres sujets ont toujours été très enrichissantes pour moi.

Je remercie l'ensemble de l'équipe de Renault Véhicule Électrique et tout particulièrement Monsieur Christian Hiron pour l'ensemble de son aide et de ses explications sur les batteries.

Je remercie Monsieur Emmanuel Toutain pour l'ensemble de son aide dans les différents problèmes que j'ai pu rencontrer.

Je tiens aussi à remercier Monsieur Robert Perret directeur-adjoint du laboratoire d'Électrotechnique de Grenoble qui m'a permis de travailler dans de très bonnes conditions dans son laboratoire.

Je remercie chaleureusement les différents ingénieurs, techniciens, et tous les autres et tout particulièrement les secrétaires: Jacqueline, Sylvie et Josiane pour leur patience et dévouement, l'ensemble de la plate-forme: Éric, Daniel, Demba, Jacques, Jean, Stéphane, Dji-dji, Bruno, Florence, Marie Thérèse pour leur travail, leur aide, leur conversation et leur cafetière toujours prête à fonctionner et faisant un si bon café.

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Je remercie l'équipe Matériaux Magnétiques de m'avoir accueilli malgré ma non-connaissance en matériaux doux et durs et mon hors-sujet.

J'ai eu l'occasion de côtoyer un ensemble d'étudiants dans le club véhicule électrique de l'école le CVELEC qui m'ont toujours réservé un accueil chaleureux et pour lequel je les remercie. La fougue permet d'avoir des résultats mais quelquefois de la casse.

Je tiens à saluer les deux ingénieurs CNAM : JF. Riutort et J. Moutin-Luyat qui m'ont présenté deux exemples de volonté d'aboutir à un rêve commun: le diplôme d'ingénieur.

Je tiens aussi à remercier:

Tout mes amis et collègues pour m'avoir supporté toutes ces années et pour tous les bons moments passés et tout particulièrement Patrick Eustache pour son amitié, son dévouement, et son caractère spécial, Sébastien Adenot pour sa compagnie pendant ces nombreuses pauses café et ces soirées, Jean Marc Bouché ("collègue de bureau") pour la surveillance de mon bureau (vide) pendant deux ans et pour son aide, Édith Cogitore ex Clavel pour son aide et sa compagnie féminine, ainsi que Pascal Pétin, Frédéric Wurtz, Christophe Lechevalier, Stéphane Bergeon, Jean-Yves Voyant, Bertrand Chauchat, Christophe Cester, Djelloul Moussaoui, Sorin Spornic, Catherine Talowski et tous les autres qui ont partagé ces heures de repas au RU et de pauses dans des discussions de toutes sortes.

Je finirais par mes parents qui m'ont encouragé pendant toutes ces années à poursuivre mes études et pour lesquels je serais éternellement reconnaissant. Et un remerciement tout particulier à ma soeur Marlène qui m'a sacrifié de ses vacances pour me soutenir et m'aider à terminer ma thèse.

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GLOSSAIRE ... 1

INTRODUCTION ... 5

CHAPITRE l : LA BATTERIE NICKEL-CADMIUM ... Il 1-1 Généralités ... 11

1-2. Les réactions électrochimiques d'un accumulateur nickel- cadmium. 12 I-2.a L'électrode positive au Nickel ... 13

I-2.b l'électrode de cadmium ... 16

I-2.c L'association électrode au Ni/électrode au Cd ... 17·

1-3. Constitution physique de l'accumulateur ... 18

I-3.a Les collecteurs ... 18

I-3.b Le séparateur. ... 18

I-3.c Les électrodes ... 18

I-3.d L'électrolyte ... 19

1-4. Comportement thermique de la batterie ... 20

I-4.a En décharge ... 21

I-4.a.1 Aspect thermodynamique ... 21

I-4.a.2 Les effets cinétiques ... 23

I-4.b En charge ... 26

I-4.b.1 Première phase: la charge ... 27

I-4.b.2 La phase de surcharge ... 28

1-5. Les modèles électriques ... 29

(9)

I-5.b Les différents modèles ... 29

1-6. Le principe de mesure de l'état de charge ... 36

I-6.a La mesure coulométrique ... 36

I-6.b - L'impédancemétrie ... .43

I-6.b.l Etude de l'impédance dite" interne" ... .43

I-6.b.2 Etude de l'impédance complexe ... .44

1.6.c Autres méthodes ... .46

CHAPITRE II ... : MISE EN OEUVRE DE L'IMPÉDANCEMÉTRIE ... 49

Introduction ... 49

II-l Mesure d'impédance ... .49

II -1-a Principe de la mesure ... 49

II-l-b Banc de mesure ... 51

II -1-b.l Le micro-ordinateur ... 52

II-l-b.l.l La carte mère PC ... 52

II-l-b.1.2 La carte d'acquisition ... 52

II-l-b.2 La carte d'interface ... 53

II-l-b.3 l'amplificateur de courant ... 56

II -1-c Organisation logicielle du banc de mesure ... 56

II-l-c.l La gestion des mesures ... 57

II-l-c.2 Traitement des mesures ... 58

II-2 Le banc de cyclage ... 62

II-2-a Définition du cyclage ... 62

(10)

II-2-c Commande du banc de cyclage ... 67

II-2-c.1 La partie matérielle ... 67

II-2-c.1.1 La carte microprocesseur ... 69

II -2-c.1.1.1 La carte de commande éloignée ... 71

II -2-c.1.2 La carte de commande rapprochée ... 72

II-2-c.1.3 La carte de mesure et surveillance de la batterie ... 73

II-2-c.2 La partie logicielle ... 74

II-2-c.2.1 La gestion du protocole 12C ... 74

II-2-c.2.2 La gestion du banc ... 75

CHAPITRE III: MÉTHODOLOGIE DE MESURE ... 79

Introduction ... 79

III-i Conditions d'expérimentations ... 79

III -l.a Choix du mode de fonctionnement ... 79

1II-1.b Choix du domaine fréquentiel ... 83

III-2. Choix de l'unité sur laquelle sont faites les mesures d'impédance .. 84

III-2.a Comparaison entre la mesure sur un monobloc et la somme des mesures sur les éléments ... 84

1II-2.b Etude sur un élément seul ... 86

III -3. Reproductibilité des mesures ... 90

1II-4. Influence de l'instant de mesure ... 93

III-S. Influence du nombre de cycles sur la mesure d'impédance ... 96

1II-6. Dispersion entre éléments ... 99 III-7. Influence du courant de polarisation et du courant de modulation 101

(11)

1II-7.b Influence du courant de polarisation ... 103

III -8 Influence de la température. . . .. 105

III -9 Influence du vieillissement . . . .. 108

III-lO Conclusion ... 112

CHAPITRE IV: ANALYSE ET EXPLOITATION DES RÉSULTATS ... 116

Introduction ... 116

IV.1 Analyse des résultats expérimentaux ... 116

IV.1-a Partie réelle de l'impédance ... 116

IV.1-b Partie imaginaire de l'impédance ... 118

IV.2 Exploitation des résultats expérimentaux en vue de l'estimation de l'EDC ... 119

IV.2-a Exploitation de la partie imaginaire ... 122

IV.2-b Exploitation de la partie réelle ... 125

IV.2-c Synthèse des exploitations précédentes ... 128

IV.3 Association de la coulométrie et de l'impédancemétrie ... 130

IV.3-a "Correction" de la coulométrie ... 130

IV .3-b "Compensation" de la coulométrie ... 131

IV.3-c Association de la "correction" et de la "compensation" .. 133

IV A Initialisation de l'impédancemétrie ... 134

IV A-a Calibrage de l'impédancemétrie ... 134

IVA-b Recalibrage de l'impédancemétrie ... 135

IV.5 Conclusion ... 137

(12)

BIBLIOGRAPHIE ... , ... 145

ANNEXES ... 153

Annexe Chapitre 2 ... 153

A2-1 Les transformées de Fourier ... 153

A2-2 Présentation des différents bancs ... 153

A2-3 Diagramme des différentes phases de fonctionnement des résistances de puissance ... 155

A2-4 Le capteur de courant du type LEM® ... 156

Annexe Chapitre 3 ... 157 .

A3-1 Calcul de l'erreur de mesure faite sur la tension , le courant et le déphasage ... 157

A3-2 Dispersion de l'impédance complexe pour une polarisation de 20A et une modulation de 4 et 8A ... 157

Annexe-Chapitre 4 ... 160

A4-1 les résistances de connexions ... 160

(13)
(14)

TABLE DES FIGURES

Figure n° 1-1

Evolution de l'électrode de nickel au cours d'une décharge ... 14 Figure nO 1-2

Evolution de la tension de l'électrode de nickel pendant sa charge ... 15 Figure nO 1-3

Mécanisme de réaction de l'électrode de cadmium ... 16 Figure nO 1-4

Évolution de la tension de l'électrode de cadmium lors de la charge ... 17 figure nO 1-5

Variation du point de congélation et de la conductivité en fonction de la concentration de l'électrolyte ... 20 Figure n° 1-6

Évolution de la tension de l'accumulateur en phase de décharge ... 24 Figure nO 1-7

Bilan des Énergies mises en jeu pendant la décharge de la batterie ... 25 Figure nO 1-8

Variation de l'échauffement de la batterie au cours d'une décharge.en fonction de l'état de charge ... 26 Figure n° 1-9

Évolution de la tension de l'accumulateur en phase de charge ... 27 Figure nO 1-10

Modèle d'un accumulateur en électrochimie ... 30 Figure nOl-lI

Modèle simplifié d 'un accumulateur ... 31 Figure n° 1-12

Evolution de la résistance de l'électrolyte en fonction de sa concentration ... 32 Figure nO 1-13

Modèle fréquenciel de l'accumulateur. ... 32 Figure n° 1-14

Modèle fréquentiel simplifié de l'accumulateur ... 33 Figure n° 1-15

Evolution de la partie réelle et imaginaire de l'impédance du modèle en fonction de la fréquence ... 34 Figure n° 1-16

Variation de Re, Rt, Cd et C en fonction de l'état de charge (Phase décharge) ... 35

(15)

Autodécharge d'un monobloc Ni-Cd à différentes températures ... 37 Figure n° 1-18

Variation de la capacité restituable en fonction du courant de décharge ... 39 Figure n° 1-19

Temps de décharge en fonction du courant ... 40 Figure n° 1-20

Évolution de la tension en décharge pour plusieurs régimes de décharge ... 41 Figure n° 1-21

Détermination de la tension d'arrêt en fonction du courant de décharge ... 41 Figure n° 1-22

Modèle électrique utilisé pour l'étude de la cinétique des batteries ... 44 Figure n° 1-23

Évolution de Cdl et Rt en fonction de l'état de charge ( Phase de Charge) ... 45 Figure n° 1-24

Évolution de Cdl et Rt en fonction de l'état de charge ( Phase de décharge) ... .46

Figure n02-1

Différentes évolutions de la tension en fonction du courant ... 50 Figure n02-2

Schéma général du banc de mesure ... 51 Figure n02-3

Principe de la compensation de la tension continue ... 53 Figure n °2-4

Mesures différentielles de la tension et du courant. ... 54 Figure n02-5

Principe de génération du signal de référence ... 55 Figure n° 2-6

Déclaration du nom de fichier de sauvegarde ... 57 Figure n02-7

Organigramme du programme de mesure de l'impédance ... 59 Figure n02-8

Organigramme du 2ème programme de mesure de l'impédance ... 61 Figure n02-9

Présentation du micro-cycle ... 63 Figure n02-10

Présentation du cycle de recharge ... 64 Figure nO 2-11

Synoptique du banc de cyclage ... 66 Figure nO 2-13

(16)

Figure n° 2-15

Synoptique de la carte de commande rapprochée ... 72 Figure n° 2-16

Synoptique de la carte de mesure et surveillance de la batterie ... 73 Figure n° 2-17

Principe de la gestion logicielle du banc de cyclage ... 74

Figure n03-1

Différentes conditions de mesures (charge, décharge, ... ) ... 80 Figure n03-2

Dispersion moyenne de l'impédance de 4monoblocs à 4 fréquences différentes. 82 Figure n° 3-3

Inter-connections des différentes batteries de travail. ... 83 Figure n° 3-4

Comparaison entre la partie réelle de l'impédance du monobloc et la somme de ces éléments pour deux EDC ... 84 Figure n° 3-5

Comparaison entre la partie imaginaire de l'impédance du monobloc et la somme de ces éléments pour deux EDC ... 85 Figure nO 3-6

Différence entre la partie réelle de l'impédance du monobloc et la somme de ces éléments pour deux EDC distincts ... 85 Figure n03-7

Différentes méthodes de mesures de l'impédance ... 86 Figure n° 3-8

Encadrement de la mesure ( Partie Réelle) par son erreur d'acquisition ... 88 Figureo3-9

Encadrement de la mesure (partie imaginaire) par son erreur d'acquisition ... 89 Figure n° 3-10

Reproductibilité de la mesure de l'impédance séparée d'une recharge Partie réelle, EDC 80% , Elément J Batterie 4 ... 90 Figure n° 3-11

Reproductibilité de la mesure de l'impédance séparée d'une recharge Partie imaginaire, EDC 80% , Elément J Batterie 4 ... 91 Figure nO 3-12

Dispersion de la mesure de l'impédance séparée d'une recharge Partie réelle , EDC 80% ,Elément J Batterie 4 ... 92 Figure n° 3-13

Dispersion de la mesure de l'impédance séparée d'une recharge Partie imaginaire,

(17)

Figure n° 3-15

Partie réelle à 0 et 12 min, EDC 80% et EDC 40% , Elément l,batterie n04 ... 94 Figure n° 3-16

Partie imaginaire à 0 et 12 min, EDC 80% et EDC 40% , Elément l,batterie n0494 Figure n° 3-17

Dispersion de la partie réelle à 0 et 12min à EDC 80% et EDC 40% ... 95 Figure n° 3-18

Dispersion de la partie imaginaire à 0 et 12min à EDC 80% et EDC 40% ... 95 Figure n° 3-19

Cyclage de mesure ... 96 Figure n° 3-20

Partie réelle en fonction du cyclage (0 cycle,2cycles,+recharge) EDC 80% , Élément l,Batterie 4, ... 97 Figure n° 3-21

Partie imaginaire en fonction du cyclage (0 cycle,2cycles,+recharge), EDC 80% , Elément l,Batterie 4 ... 97 Figure n° 3-22

Dispersion de la partie réelle en fonction du cyclage (0 cycle,2cycles,+recharge) EDC 80%, Elément l,Batterie 4 ... 98 Figure nO 3-23

Dispersion de la partie imaginaire en fonction du cyclage (Ocycle, 2cycles, +recharge), EDC 80%, Elément l,Batterie 4 ... 98 Figure n03-24

Ordre de mesure pour chaque élément. ... 99 Figure nO 3-25

Comparaison des parties réelles de l'impédance de différents éléments d'un même monobloc ... 100 Figure n° 3-26

Comparaison des parties imaginaires de l'impédance de différents éléments d'un même monobloc ... 100 Figure nO 3-27

comparaison entre une mesure de la partie réelle faite à EDC= 70 et 20 % pour un courant de polarisation de -10 A et modulation de 4 et 8 A. . . .. 101 Figure nO 3-28

comparaison entre une mesure de la partie imaginaire faite à EDC= 70 et 20 % pour un courant de polarisation de -10 A et modulation de 4 et 8 A . . . .. 102 Figure n° 3-29

Dispersion de la partie réelle en fonction du courant de modulation( 1=4 et 8A) pour un EDC de 20 et 70% ... 102 Figure n° 3-30

(18)

Dispersion de la partie imaginaire en fonction du courant de modulation( 1=4 et SA) pour un EDC de 20 et 70% ... 103 Figure n° 3-31

Comparaison des parties réelles à EDC= 50% pour un l pol de -5,-10,-15,-20 A et Imod = 8 A ... 104 Figure n° 3-32

Comparaison des parties imaginaires à EDC= 50% pour un l pol de -5,-10,-15,-20 A et l mod = 8 A ... 104 Figure n °3-33

Partie réelle en fonction de la température pour 3 EDC

70,40,15 % et pour des fréquences de 0,2 1 et 8Hz ... 106 Figure n °3-34

Partie imaginaire en fonction de la température pour 3 EDC

70,40, 15 % et pour des fréquences de 0.2, 1 et 8Hz ... 107 Figure n03-35

Partie réelle en fonction de la fréquence à différents EDC, batterie 0 cycle

BO ... 109"

Figure n03-36

Partie réelle en fonction de la fréquence à différents EDC, batterie 200 cycles B200 ... 109 Figure n03-37

Partie réelle en fonction de la fréquence à différents EDC, batterie 400 cycles B400 ... 110 Figure n03-38

Partie imago en fonction de la fréquence à différents EDC, batterie 0 cycle

BO ... 110 Figure n03-39

Partie imago en fonction de la fréquence à différents EDC, batterie 200 cycles B200 ... 111 Figure n03-40

Partie imago en fonction de la fréquence à différents EDC, batterie 400 cycles B400 ... 111 Figure n04-1

Partie réelle de l'impédance en fonction de l'état de charge à des fréquences données ... 120 Figure n04-2

Partie imaginaire de l'impédance en fonction de l'état de charge à des fréquences données. . . .. 121

(19)

Partie imaginaire de l'impédance en fonction de l'état de charge à la fréquence donnée de 0,15 Hz ... 122 Figure n04-4

Partie imaginaire de l'impédance en fonction de l'état de charge à la fréquence donnée de 1,9 Hz ... 123 Figure n04-5

Partie imaginaire de l'impédance en fonction de l'état de charge à la fréquence donnée de 5 Hz ... 123 Figure n04-6

Partie réelle de l'impédance en fonction de l'état de charge à la fréquence donnée de 0,15 Hz ... 125 Figure n04-7

Partie réelle de l'impédance en fonction de l'état de charge à la fréquence donnée de 0,5 Hz ... 126 Figure n04-8

Partie réelle de l'impédance en fonction de l'état de charge à la fréquence donnée de 1,5 Hz ... 127~

Figure n04-9

Partie réelle de l'impédance en fonction de l'état de charge à la fréquence donnée de 7,9 Hz ... 127 Figure n04-10

Partie réelle de l'impédance en fonction de l'état de charge à la fréquence donnée de 5 Hz ... 129 Figure n04-11

Synoptique de fonctionnement de la "correction" coulométrique ... 131 Figure n04-12

Synoptique de fonctionnement de la "compensation" coulométrique ... 132 Figure n04-13

Courbe de fonctionnement de la "correction et de la compensation" coulométrique ... 133 Figure n04-14

Synoptique du fonctionnement de l'ensemble "correction + compensation"

coulométrique . . . .. 134 Figure n04-15

Principe de calibrage par l'utilisateur. ... 135 Figure n04-16

Principe du recalibrage "automatique" ... 136 Figure n° A-1

Le banc de mesure ... 154

(20)

Figure nO A-2

Le banc de cyclage ... 155 Figure n° A-3

Diagramme de dissipation électrique des résistances de puissance du banc de cyclage ... 156 Figure nO A-4

Dispersion de la partie réelle à une polarisation de 20A ... 159 Figure n° A-5

Dispersion de la partie réelle à une polarisation de 20A ... 159 Figure nOA-6

Schéma équivalent d'un accumulateur avec ces F.e.m. et ces résistances internes . ... 160 Figure n° A-7

Montage des connectiques d'une batterie ... 161 Figure nO A-8

Origines de certaines résistances internes. . . .. 162 Figure n° A-lO

Présentation des accumulateurs et de leurs connectiques .. . . .. 162 Figure nO A-Il

Zoom sur la connectique de chaque élément.. ... 163

(21)
(22)

GLOSSAIRE

GLOSSAIRE

(23)
(24)

GLOSSAIRE

GLOSSAIRE

Accumulateur: Appareil qui emmagasine de l'énergie pour la restituer à mesure des besoins.

Accumulateur électrique: élément électrolytique que l'on charge en courant continu et qui se décharge en restituant sous forme électrique une partie de l'énergie accumulée sous forme chimique

Batterie: Série d'appareils, d'instruments, d'éléments destinés à fonctionner ou à être utilisés ensemble.Ici il représente la somme des cinq éléments constituant l'accumulateur. Dans la suite, nous utiliserons abusivement ce mot comme un synonyme d'accumulateur.

Capacité nominale: Afin de pouvoir comparer différents types d'accumulateurs, on définit une capacité nominale comme étant la quantité d'électricité en Ah, que l'élément est capable de restituer après une charge complète, sur une durée de temps spécifique. On peut par exemple rencontrer des batteries de capacité définie en CIO type pile bâton ou C20 pour les batterie de floating.

Cs : Capacité nominale pour une durée de temps égale à S h.

Ex : CS = 100 Ah => le courant disponible est égal à ~5 = 20 A pendant S heures.

Cs[A] : Unité de courant correspondant à la décharge pendant une heure de la capacité idéale Cs en Ah Ex: 3.CS[A] = 3*(100 A)=300 A

Cette unité permet les comparaisons entre batteries de capacité différente et de même technologie (ici batterie de traction).

Charge: Une des 2 phases de la recharge.

La charge est faite en injectant de l'énergie dans la batterie grâce à un courant constant de valeur égale à ~5 [A] soit::::; 20 A dans notre cas. Cette phase s'achève lorsque la tension aux bornes d'un élément atteint la valeur de 1,6 V soit pour un monobloc une tension de 8 V (S x 1,6 V).

Cette phase permet d'atteindre environ 80 % de la capacité nominale de la batterie.

(25)

GLOSSAIRE

Cyclage : Phase simulant le roulage d'un véhicule électrique. Elle se compose d'une décharge contrôlée et d'une recharge.

Décharge contrôlée : Décharge de la batterie en simulant le fonctionnement d'un véhicule en roulage. Le microcycle est de 1 minute et comprend une décharge à 160 A (1,6 C5 [AD pendant 10 secondes (simule une forte accélération) suivie d'une décharge à 40 A (0,4 C5 [AD pendant 20 secondes (simule un roulage normal) suivie d'une charge à 100 A (- 1 C5 [AD pendant 5 secondes (simule un freinage récupératif) et d'une phase de repos de 25 secondes.

Ce micro cycle est répété jusqu'à atteindre la tension limite de la batterie de 0,9 V par élément indiquant que l'accumulateur est déchargé [EDC = 0 %].

Décharge partielle : Phase permettant de décharger la batterie de 5 ou 10 Ah pour permettre les mesures d'impédance. Cette décharge utilise le même microcycle que la décharge contrôlée.

Le critère d'arrêt est la quantité d'énergie retirée de la batterie (5 ou 10 Ah par exemple).

Elément: Cellule électrochimique constituée d'un seul couple Nickel- Cadmium délivrant une tension de 1,2 V.

Etat De Charge (EDC) : Estimation en % de l'énergie restant dans l'accumulateur.

Les phases 100% et/ou 0% sont estimées par la fin de charge et par la fin de décharge.

Pour les estimations intermédiaires, on utilise une mesure par coulométrie (comptage des ampères-heures).

On utilise aussi son complément: la profondeur de décharge (PDD) qui est égale à 100%-EDC.

Monobloc: Ensemble de 5 éléments de 1,2 V montés en série constituant un accumulateur Ni- Cd de 6 V. Ces éléments sont disposés dans un container plastique commun permettant l'interconnexion électrique. Chacun de ces éléments a son électrolyte propre.

Recharge: Phase comportant deux parties: La charge suivie de la surcharge.

La recharge permet de "remplir" complètement la batterie en énergie (état de charge à 100 %).

Surcharge: 2ème phase de la recharge suivant la charge.

La surcharge est aussi effectuée en injectant un courant constant dans la batterie, mais la valeur est égale à ~g soit::::: 5 A. Cette phase a comme critère d'arrêt le temps. En effet cette phase de surcharge a la même durée que la phase de charge. Cette deuxième phase permet d'atteindre la capacité nominale de la batterie. La durée de chacune de ces phases (charge et surcharge est de plus de 4 h soit 8 h 30 de recharge.

(26)

INTRODUCTION

INTRODUCTION

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(28)

INTRODUCTION

INTRODUCTION

Avec un excellent rendement, dû aux progrès constants en matière d'électronique de puissance associée à la chaine de traction, le véhicule électrique est très attractif.

Il n'en reste pas moins que la source d'énergie est le point faible de ce concept. Suivant le choix du couple électrochimique retenu, on dispose soit d'une source d'un prix modéré mais permettant une autonomie limitée (exemple :batterie au plomb), soit d'une source performante au niveau de l'énergie embarquée mais très coûteuse. Dans tous les cas, les accumulateurs sont très volumineux et très lourds représentant au minimum un tiers du poids total du véhicule. L'énergie embarquée est considérablement plus faible que pour un véhicule thermique (rapport "" 70 entre les deux)

Beaucoup de recherches menées actuellement dans le monde entier visent à imaginer et à développer des systèmes originaux pour que l'autonomie soit la plus grande possible à moindre coût. On citera par exemple les systèmes à base de volants d'inertie ou à piles à combustible.

Il n'en reste pas moins que pour l'instant la grande majorité des véhicules électriques mis sur le marché utilise des accumulateurs dont il faut bien estimer l'énergie.

Les méthodes à base de coulométrie ( on mesure l'énergie qui entre et qui sort de l'accumulateur) sont simples à mettre en oeuvre, surtout avec les moyens informatiques dont on dispose le plus souvent et qui sont systématiquement utilisés. Suivant le type d'accumulateur, l'évaluation correspondante est plus ou moins fiable. Pour les batteries nickel-cadmium, ce type de mesure de l'autonomie n'est pas satisfaisante, par exemple après un arrêt du véhicule pendant plusieurs jours.

Le but de notre travail a été de trouver et d'étudier une méthode originale permettant d'obtenir une estimation fiable de l'état de charge d'une batterie Ni-Cd de traction de capacité nominale de 100Ah (STM 5-100 SAFT) ; pour ce faire, nous nous sommes orientés vers des mesures prenant en compte au mieux les phénomènes physico-chimiques internes à l'accumulateur.

(29)

INTRODUCTION

Dans le premier chapitre, nous rappelons les réactions électrochimiques caractérisant un accumulateur nickel-cadmium, sa constitution physique, et son comportement thermique dans les différentes phases de fonctionnement. Nous poursuivons en présentant les différents modèles électriques que l'on peut rencontrer dans la bibliographie, ainsi que les différentes méthodes de mesure de l'état de charge qu'il est possible d'utiliser. Nous concluons sur l'intérêt de la spectroscopie d'impédance associée à une simple coulométrie.

Dans le deuxième chapitre, nous exposons la mise en oeuvre de la mesure par impédancemétrie. Nous présentons d'abord le principe de mesure d'impédance employé et le banc qui en découle comprenant une partie matérielle et logicielle. Puis nous étudions le banc de cyclage, son utilité pour charger et décharger les batteries, sa conception du point de vue matériel et logiciel.

Dans une troisième partie, nous définissons une méthodologie de mesure de l'impédance d'un monobloc et de ses éléments pour fiabiliser la caraCtérisation de ceux-ci. Nous justifions les différentes restrictions de mesures que l'on se propose de faire. Nous exposons grâce à de nombreuses expérimentations l'influence de ces paramètres tels le courant, l'instant de mesure,... sur l'évolution de l'impédance en fonction de la fréquence et de l'état de charge.

Dans le dernier chapitre, nous faisons une analyse des influences des différents paramètres (le courant par exemple) en utilisant comme support, le modèle électrique exposé au chapitre I. Dans un deuxième temps, nous déterminons la ou les fréquences pour lesquelles on peut évaluer l'état de charge avec suffisamment de précision en mesurant l'impédance complexe (partie réelle, partie imaginaire ou les deux). Nous terminons par une réflexion sur les diverses manières d'allier coulométrie et impédancemétrie afin de concevoir une jauge simple d'utilisation et la plus précise possible.

Enfin nous concluons en envisageant quelques perspectives futures à mettre en oeuvre visant à adapter l'impédancemétrie telle qu'elle a été étudiée ci-dessus aux besoins des utilisateurs voire des constructeurs de véhicules électriques conjuguant rapidité et précision.

(30)

CHAPITRE 1: LA BAITERIE NICKEL-CADMIUM

CHAPITRE 1 :

LA BATTERIE NICKEL-CADMIUM

(31)
(32)

CHAPITRE I: LA BATTERIE NICKEL-CADMIUM

CHAPITRE 1 LA BATTERIE NICKEL-CADMIUM

1 -1 Généralités

Le principe de fonctionnement d'un générateur électrochimique repose sur la conversion d'énergie chimique en énergie électrique. Nous allons le résumer ci-dessous:[JAC 87],[HIR 95],[HIR 95- 2],[BER1,.[ACC 94 ], [RA V 75 ]

Toute réaction électrochimique, pourvu qu'elle soit spontanée, est susceptible de donner naissance à un courant électrique si elle a lieu dans des conditions appropriées. Si on décompose la réaction en deux demi-réactions simultanées, l'une donnera lieu à une capture d'électrons (réduction) l'autre à une libération (oxydation) ; cet échanges'effectuant donc par un circuit extérieur et fournissant de l'énergie électrique. De plus, pour fermer le circuit ainsi constitué, le transfert du courant entre les électrodes est assuré par un milieu liquide ou solide interposé entre les électrodes : l'électrolyte. Le passage du courant dans l'électrolyte est dû au déplacement d'ions sous l'influence du champ électrique existant entre les électrodes.

La f.e.m. d'une pile est égale à la différence des deux potentiels d'électrode.

Rappelons tout d'abord que si l'on considère le mécanisme global réversible suivante 'd ~ 'd

nlox2+ n2 re 1 f-n1re 2+ n2 ox l (1-1)

L'énergie électrique mise en jeu est égale à l'enthalpie libre i\G de la réaction d'oxydo-réduction.

Si E est la f.e.m. de la pile, on montre que:

i\G = -nI n2 F E (1-2)

F étant le Faraday (1 Faraday

=

96500 C.mol-1) On peut aussi écrire E sous la forme :

(1-3)

Ei est appelé potentiel de l'électrode i (exprimé en V). A l'équilibre (sous courant nul), ce potentiel

(33)

CHAPITRE 1: LA BATTERIE NICKEL-CADMIUM Eéqui s'exprime par la relation de Nernst:

R T aox'

Soit encore: E' .

=

EO. + - - Log __ 1 (Formule de Nernst)

eqm 1 n. F <!réd-

1 1

Où EOi désigne le potentiel normal standard du couple oXi 1 rédi et aoxi est l'activité de l'oxydant i :

- Si c'est un liquide dilué, aOxi

=

Ci - molarité.

- Si c'est un solide ou un liquide pur, aoxi

=

1

- Si c'est un gaz aoxi

=

Poxi, pression partielle du gaz oxi :

(1-6)

Si l'on se fixe arbitrairement le potentiel d'une électrode métallique d'un couple oxydant 1 réducteur donné, on peut déterminer celui de tous les autres couples. C'est ainsi, que par convention, on a choisi E

=

0 V pour l'électrode à hydrogène dont la réaction globale est la suivante:

(1-7)

H2 étant gazeux, son activité est mesurée par sa pression partielle PH2 exprimée en atmosphère.

Si [H+]

=

1 molell et PHi

=

1 atm alors on réalise l'électrode normale à hydrogène (E.N.H. en abrégé

!) .

On peut classer les générateurs électrochimiques en deux catégories: [JAC 87]

- Ceux qui sont réversibles; dans ce cas, on peut ramener les électrodes à leur état initial en faisant circuler un courant de signe contraire dans le circuit extérieur. On parle alors d'accumulateur.

- Ceux qui ne sont pas réversibles, pour lesquels on ne peut retrouver l'état initial par inversion du courant. Ce sont des générateurs dits primaires ou encore plus communément appelés piles.

Nous nous sommes plus particulièrement intéressés au générateur constitué par une électrode de nickel associée à une électrode de cadmium. Nous nous proposons donc dans la suite de ce chapitre d'en décrire le fonctionnement.

1-2. Les réactions électrochimiques d'un accumulateur nickel- cadmium

Les processus électrochimiques de base se produisant aux électrodes d'une batterie Nickel- Cadmium [BER] se mettent sous la forme:

Cd ~ Cd2+ +2e- à l'électrode négative (1-8)

(34)

CHAPITRE 1: LA BATTERIE NICKEL-CADMIUM

Ni3+ +e- ~ Ni2+ à l'électrode positive (1-9)

On note la réversibilité de ces deux réactions.

Au cours d'une décharge, le cadmium (Cd) s'oxyde en ions cadmium divalents (Cd2+), et les ions nickel trivalents (Ni3+) se réduisent en ions nickel divalents (Ni2+). Au niveau de l'électrode positive, les réactions sont en réalité plus compliquées, car à l'état oxydé, le nickel se transforme non seulement en ions Ni3+ mais aussi en ions Ni4+. li se produit également une autre réaction au niveau de cette même électrode de nickel. Nous allons expliciter cela dans le paragraphe suivant.

1-2.a L'électrode positive au Nickel

L'électrode positive est en hydroxyde de nickel (Ni(OH2)). Ses points forts sont sa fiabilité et son endurance (plusieurs milliers de cycles de fonctionnement sont possibles). [BER],[ HIR 95],[DEL 55], [ELE 95 ]

La charge et la décharge de cette électrode peuvent être décrites à l'aide de la demi-réaction suivante:

Ni (OHh + OH-~ Ni OOH + H2 0 + e- (1-10)

état déchargé état chargé ( EO= 0,490V IENH )

Au cours de la charge, les ions Ni2+ sont oxydés en ions Ni3+. En fait, l'oxydation se poursuit, transformant les ions NP+ en ions Ni4+ selon la demi-réaction suivante:

Ni OOH + OH- ~ Ni 02 + H2 0 + e- (1-11)

La composition chimique de la matière active n'est pas bien définie; on a un passage progressif des ions Ni2+ aux ions Ni3+ puis aux ions Ni4+ lors de la charge, et inversement lors de la décharge.

En fin de charge, on peut écrire la composition de la matière active sous la forme:

(4 Ni 02,2 Ni OOH), (2 K+, 20 H-, H2 0). [BER] (1-12)

De plus, pendant la charge, une réaction secondaire apparaît, c'est l'oxydation des ions hydroxyde qui se symbolise par l'équation suivante:

(35)

CHAPITRE 1: LA BATTERIE NICKEL-CADMIUM

20H---7 1/2 02 + H2 0 + 2 e- (1-13)

(Eo= 0,401VIENH)

Comme cette réaction présente un potentiel d'équilibre inférieur à celui de la réaction principale (1- 10), elle peut donc thermodynamiquement être possible quel que soit l'état de l'électrode mais ne peut pas devenir prépondérante car sa cinétique est lente (au moins pendant la charge).

La réaction (1-11) demande un surcroît d'énergie qui se traduit par une augmentation du potentiel de l'électrode; la réaction secondaire (1-13) (oxydation de l'eau) se trouve favorisée. L'évolution de l'état d'oxydation dépend principalement de l'avancement dans la charge de l'électrode et de sa tension: plus on avance dans la charge et plus le rendement de la réaction (1-11) s'effondre au profit de la réaction (1-13).

Oxydation .. Il Réduction

Niveau de charge: Niveau de charge: Niveau de charge:

important moyen déchargé

1

0 2- 0 2-

+02:. 02-

1

0 2- 0 2-

H+ H+ 2H+--r - H + - H+

1

0 2- OH- OH- OH- OH- OH-

i

Ni3+ Ni3+

1 Ni4+ Ni3+ Ni2+ Ni2+

1

e- e- 2e- ----~ 2e-

1 Ni02 . NiOOH NiOOH Ni(OH)2

Figure n° 1-1: Evolution de l'électrode de nickel au cours d'une décharge.

Le fait que plusieurs réactions chimiques interviennent au cours de la charge de l'électrode de nickel permet d'expliquer certains phénomènes propres à cette dernière :

- le rendement faradique (rapport de l'énergie emmagasinée à l'énergie à injecter pour avoir l'électrode pleinement chargée) est inférieur à 1. TI varie de presque un en début de charge (batterie déchargée : EDC = 0 %) à presque zéro pour la fin de charge.

De plus, plus la température de charge est élevée, plus le rendement global est faible.

- Lorsque le dégagement d'oxygène apparaît (réaction (1-13)), celui-ci provoque une auto décharge spontanée de l'électrode. Cette auto décharge dépend de l'état de charge de l'électrode et bien sûr de la température ; on peut par exemple préciser que l'augmentation relative de la température de 10°C multiplie la vitesse d'auto décharge par 2.

(36)

CHAPITRE 1: LA BATTERIE NICKEL-CADMIUM - La charge comprenant 2 étapes avec une évolution continue de l'oxydation du nickel a laquelle s'ajoute l'oxydation de OH-, on ne peut espérer utiliser la tension pour suivre la charge, voire détecter la fin de cette dernière.

-+

Tension

Ni III ----+ Ni IV Ni III --- Ni IV

- - 1 > Ni III Ni II ---+ Ni III Ni II - - Ni III

Temps Figure n° 1-2 :Evolution de la tension de l'électrode de nickel pendant sa charge

Les diverses espèces présentes ne sont pas placées de façon désordonnée dans la matière active (Ni X) mais ordonnée en cristaux.

Si on utilise ce type d'électrode en cyclage "véhicule électrique" [HIR95, BER], la forme cristalline normale des espèces chargées est nommée ~. Cette forme cristalline ~, n'est pas la plus stable car si la matière active n'est pas utilisée durant un certain temps, les cristaux ~ se transforment lentement en une forme plus stable qui sont les cristaux y avec comme conséquence première une perte de 40 à 60 m V sur la force électromotrice de chaque élément. Ce phénomène appelé effet y se retrouve soit après un stockage à l'état chargé, une mise en floating prolongée ou lors de décharges partielles quotidiennes qui ne font travailler qu'une partie de la matière active, le reste évoluant en forme y. Ce phénomène est réversible après quelques cycles complets et ne doit pas être confondu avec l'effet mémoire que l'on présentera plus loin.

Notons qu'une amélioration de l'aptitude à la charge par stabilisation des édifices cristallins peut être obtenue en ajoutant différents additifs comme le cobalt (stabilisation de la matière active à température élevée), le zinc ou le cadmium (réduction du gonflement de la matière active).

Une conséquence de cette composition assez complexe de la matière active pour l'électrode positive est que son potentiel pour un état d'oxydation donné n'est pas le même suivant qu'on le charge ou qu'on le décharge ( effet d'hystérésis).

(37)

CHAPITRE 1: LA BATTERIE NICKEL-CADMIUM 1-2.b l'électrode de cadmium

Le fonctionnement de l'électrode de cadmium est plus simple [BER], [HIR 95],[DEL 53]. En effet, deux espèces chimiques seulement entrent en jeu dans la réaction électrochimique qui la caractérise :

- du cadmium sous forme métallique majoritaire si l'électrode est chargée - de l'hydroxyde de cadmium (Cd (OHh) majoritaire à l'état déchargé:

Cd (OHh + 2 e- ~ Cd + 2 OH- (1-14)

Etat déchargé état chargé ( EO= -0,809V / ENH )

La transformation du cadmium en hydroxyde de cadmium correspond à la dissolution du cadmium immédiatement précipité en hydroxyde. (voir figure nO 1-3) .

...

, ... .

Cd :::::::.:::::c4:~*::::::::::::::::Q~:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::

Cadmium

, ... .

:::::::::::::::::::t:::::::::::::::::::::::~::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::

:

. . . .~:

: : : : :

~

: : :

... .:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::

: : :Cci (OH)2 · ... .

· ' ... . ... '

· ... .

· ' ... .

· ' ... .

. . . . ... '

... . ' ... .

· . ' ... .

· . ' ... .

· ... .

. . . . . . . . . . . . . . : Hydroxyde de Cd : :

::::::::::::::Ëîëctroiyté":::::::::::::

. . . . ... . . . . ...

. . . . . . . . . . . . . . . ' ... .

Figure nO 1-3: Mécanisme de réaction de l'électrode de cadmium

Comme pour l'électrode de nickel, on peut avoir une réaction secondaire associée à la réduction de l'eau. Cette équation se met sous la forme:

(1-15)

Le potentiel standard de ce mécanisme est égal à - 0,828 V /ENH.

Cette réduction de l'eau se produit à une tension supérieure à celle de la réaction principale de l'électrode de cadmium et ne peut donc avoir lieu que si la tension de la réaction du cadmium atteint -0,828 V.Comme le potentiel de la réaction de l'électrode du cadmium n'atteint pas la tension de réduction de l'eau, celle-ci n'est alors jamais active.

(38)

CHAPITRE 1: LA BATTERIE NICKEL-CADMIUM Ceci nous permet d'avoir un rendement de 1 pendant la recharge, c'est à dire que toute l'énergie injectée sera stockée électrochimiquement. De plus, on n'aura pas de phénomène d'autodécharge spontanée.

Lorsque l'état pleinement chargé est atteint pour l'électrode de cadmium, on passe de la réaction principale (1-14) (transformation du cadmium) à la réaction secondaire (1-15) (réduction de l'eau).

Ce passage se fait au travers d'un saut de potentiel net qui permet par exemple de déterminer de façon précise la fin de la charge (voir figure n01-4)

Tension

Temps Figure nO 1-4: Évolution de la tension de l'électrode de cadmium lors de la charge

On peut noter cependant que l'électrode de cadmium est le site d'effets indésirables comme l'effet mémoire( diminution de la capacité restituable au cours du cyclage) : cette perte de capacité est donc exclusivement due à cette électrode négative et intervient après:

- Un grand nombre de cycles partiels à la même profondeur de décharge (PDD).

- Une période de stockage sans recharge ou avec des recharges incomplètes.

- Une période prolongée de "floating".

Cette perte de capacité est causée par plusieurs phénomènes dont le principal est un grossissement des cristaux de cadmium. La surface active est ainsi diminuée ce qui induit une augmentation de la résistance interne, un effondrement plus rapide de la tension en décharge et une perte apparente de capacité. Cet effet mémoire est complètement réversible et quelques cycles à fortes décharges (EDC ->0), avec des courants de charge d'intensité raisonnable suffisent à régénérer l'accumulateur.

1-2.c L'association électrode au Ni/électrode au Cd.

(39)

CHAPITRE 1: LA BATTERIE NICKEL-CADMIUM La réaction globale caractérisant une batterie nickel/cadmium est obtenue en additionnant les demi- réactions (1-10) et (1-14) :

2 Ni(OHh + Cd (OHh ~ 2 Ni OOH + Cd + H2 0 (1-16)

État déchargé État chargé (Eo= -1,3V / ENH)

Quand la batterie se décharge, le NiOOH et le Cd sont respectivement convertis en Ni(OHh et en Cd(OHh . On retrouve une réaction inverse durant la charge.

Il est à noter que la composition de l'électrolyte à base d'hydroxyde de potassium ne rentre pas en j eu dans les réactions principales (1-10,1-14,1-16) des électrodes. En fait, ces effets dus au potassium, sont très réduits et peuvent être négligés dans l'équation générale.

On peut donc considérer que la potasse sert uniquement au transit des ions H+ et OH-.

1-3. Constitution physique de l'accumulateur

Comme dans tout accumulateur, on retrouve deux électrodes positive et négative ainsi qu'un électrolyte servant à assurer la conduction ionique entre ces électrodes.

1-3.a Les collecteurs

Pour concevoir ces électrodes, on utilise des collecteurs sur lesquels on place la matière active.

Ceux-ci sont similaires pour les deux électrodes; ils sont formés d'une mince tôle d'acier perforée, protégée par un dépôt de nickel électrolytique. Grâce à ce traitement, aucun de ces collecteurs ne subit de corrosion, ce qui contribue à la longévité de la batterie.

1-3.b Le séparateur

Le séparateur (fibres, ... ) est utilisé pour garantir l'isolation électrique et assurer la conduction ionique des électrodes.

1-3.c Les électrodes

(40)

CHAPITRE 1: LA BATTERIE NICKEL-CADMIUM

Les électrodes positives et négatives utilisées dans les batteries de véhicules électriques sont classiquement en nickel fritté [BER][HIR 95]. Elles sont de conception identique: une bande de tôle perforée et nickelée est enduite par une suspension de nickel pur ; elles sont ensuite séchées et placées dans un four à atmosphère réductrice où est réalisé le frittage (grains de nickel se soudant entre eux). On obtient ainsi sur le collecteur un support conducteur poreux prêt à recevoir la matière active, on trempe ensuite les rouleaux de collecteur de l'électrode positive dans une solution de nitrate de nickel; ceux de l'électrode négative sont trempés dans le nitrate de cadmium.

Ils sont ensuite neutralisés par de la soude qui transforme le nitrate en hydroxyde (de cadmium ou de nickel) ; l'état de la matière active correspond à l'état de charge de l'accumulateur. Les bandes d'électrodes sont ensuite nettoyées, découpées et montées dans les bacs plastiques des batteries.

D'autres méthodes sont utilisées pour concevoir les électrodes négatives de façon à rendre les accumulateurs moins onéreux. On mélange une poudre d'hydroxyde de cadmium et du PTFE (Téflon). Un traitement de cette électrode est ensuite obligatoire pour la rendre utilisable.[HIR 95]

I-3.d L'électrolyte

Dans ce type de batterie, l'électrolyte est liquide. Il est constitué essentiellement d'une solution d'hydroxyde de potassium KOH. La concentration de cette solution est de 20 à 30 % en masse ce qui assure un compromis pour avoir à la fois une conductivité maximale et un point de congélation bas.(voir figure 1-15)[BER]

(41)

CHAPITRE 1: LA BATTERIE NICKEL-CADMIUM

_ Point de congélation en oC Conductivité en S. cm-1 - 2 0 ... : ... ~ ... ":' ... : ... 0,68

E ~ ~ ~

1 ,rl-, 1 1

. 1 · . .

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0, 6 6

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- 3 0

- 40

- 5 0

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···""[···1"···1···f···· ... ···1

0,6

0,58 - 6 0

-70

4 5 6 7 8 9

Concentration en mol.r' à 25°C

figure n° 1-5: Variation du point de congélation et de la conductivité en fonction de la concentration de l'électrolyte

Dans certains types de batteries, utilisées à puissance modérée et à température élevée, on emploie un électrolyte à base d'hydroxyde de sodium. La conductivité est alors plus faible et ne permet pas l'utilisation de ce type d'accumulateur pour délivrer de forts courants.

1-4. Comportement thermique de la batterie

Le couple nickel-cadmium a comme principal inconvénient d'avoir une élévation de la température importante en fonctionnement, mais aussi de craindre la chaleur car l'utilisation à température élevée entraîne une diminution de sa durée de vie, réduit son rendement et amplifie fortement l'effet d'autodécharge.

Ceci provient du fait que les différentes réactions chimiques caractérisant le comportement de l'accumulateur s'accompagnent de réactions thermiques. Pour mieux comprendre cela, nous allons étudier la thermodynamique de ce système.

Cette étude va se scinder en deux parties distinctes car la thermodynamique de la batterie est différente en charge et en décharge.

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