Détermination de l'état de charge des batteries d'un véhicule électrique. Fabrice Delfosse, 3 EME

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1 Détermination de l'état de charge des batteries d'un véhicule électrique. Fabrice Delfosse, 3 EME 1

2 Plan de la présentation Les véhicules électriques (VE) et leurs batteries : problématique. Technologie actuelle des batteries pour les véhicules électriques. L'état de charge : pourquoi et comment. Conclusions. 2

3 I. Les VE et leurs batteries : problématique. Batterie = composant essentiel,, "cœur" cœur" " du VE, mais qui limite actuellement ses performances et son utilisation. coûtent cher, pèsent très lourd (de 200 à 300 kg pour propulser un véhicule citadin sur 100 km). nécessitent une gestion thermique et électrique poussée. les temps de recharge importants (plusieurs heures) et la faible autonomie (environ 100 km) qu'elles procurent sont de gros désavantages par rapport à l'essence. DONC : la technologie actuelle des VE purement électriques les cantonne à une utilisation presque entièrement citadine. 3

4 Les VE et leurs batteries : problématique. Difficultés techniques liées à la modélisation. Fonctionnement dépend de quantités de paramètres parfois malaisés à identifier et/ou à mesurer. Pas de modèle "universel" mais plusieurs modèles simplifiés adaptés à des cas particuliers. Durée de vie et état de charge dépendants de l'utilisation faite de la batterie (cycles de charge/ décharge, histoire,...). on doit se baser sur de nombreuses mesures et de nombreux recoupements afin de pouvoir dégager des conclusions et un modèle fiables. 4

5 II. Technologie actuelle des batteries pour VE. ➀ ➁ ➂ ➃ ➄ ➅ 6 grandes familles de batteries sur le marché : accumulateurs plomb/oxyde de plomb accumulateurs nickel/cadmium accumulateurs nickel/hydrures métalliques accumulateurs sodium/chlorure de nickel accumulateurs lithium/ion accumulateurs lithium/polymères 1 famille de piles sur le marché : ➀ piles zinc/air 5

6 Technologie actuelle des batteries pour VE. Synthèse des caractéristiques. Caractéristiques liées à l'autonomie et la puissance du VE : Pb/PbO2 Ni/Cd Ni/MH Na/NiCl Li/Ion Li/Poly. Zn/Air Densité d'énergie pratique moyenne [Wh/kg] Puissance spécifique moyenne [W/kg] autonomie performances Exemple: véhicule de 800 kg à vide consommant 200 Wh/(t.km) ; C x = 0,3 ; S = 2,25 m² ; η total = 0,75 ; k total = 7,5 : Poids des batteries [kg] Autonomie [km] Vitesse maximum [km/h] Poids des batteries [kg] Pb/PbO2 Ni/Cd Ni/MH Li-Ion 6

7 III. L'état de charge : pourquoi et comment. Paramètre essentiel pour la conduite d'un VE. La connaissance de l'état de charge (S.O.C.) conditionne la confiance que le conducteur a en son véhicule. nécessité de pouvoir estimer avec précision ce SOC (à quelques % près). Actuellement : ± 10 à 20 % d'erreur! pour cela, il faut modéliser la batterie ou son fonctionnement et pouvoir appliquer ce modèle en pratique. le S.O.C. dépend fortement du type de parcours et du type de conduite. 7

8 L'état de charge : pourquoi et comment. Méthodes de détermination du S.O.C. ➀ ➁ ➂ 3 grandes familles de méthodes pour déterminer l'état de charge : méthodes physiques : changements physiques dans la batterie durant la décharge. méthodes électriques : changements électriques aux bornes durant la décharge. méthodes de mesures d'impédance : changements de l'impédance interne lors de la décharge. 8

9 L'état de charge : pourquoi et comment. ➀ Méthodes physiques. Mesure de la densité de l'électrolyte au cours de la décharge en théorie orie,, estimation directe du S.O.C. en pratique, seulement utilisable pour batteries fixes. erreurs en cas de décharge à courant non constant, problèmes de localisation des capteurs. seulement applicable pour des batteries pour lesquelles l'électrolyte intervient dans la réaction (par ex. batteries Pb). 9

10 L'état de charge : pourquoi et comment. ➁ Méthodes électriques. Mesures de tension et courants lors de la décharge estimation du S.O.C. via des lois coulométriques et des lois empiriques de correction. Loi coulométrique : C i = a.e 0 + b [Ah] I t 0 C r (t) = C i - i dt T ➀ ➀ Corrections : Peukert : C = I n.t IEC : C T = C T=30.[1+0,08.(T-30)] 10

11 L'état de charge : pourquoi et comment. ➂ Mesures d'impédance interne. Méthodes assez récentes : superposer un signal alternatif à la composante continue et déduire l'impédance complexe du signal mesuré en retour. l'impédance dépend de la fréquence et de la forme du signal de mesure : l'impédance varie avec l'état de charge,, et ce de manière plus ou moins linéaire pour certains signaux de mesure. des mesures pour différents signaux permettent de déduire des paramètres internes à la batterie : 11

12 L'état de charge : pourquoi et comment. Chaîne de mesures employée. Principe : Réalisation pratique : Boîtier de commande Sectionneur relais 1 relais 2 Electronique de commande +12 VDC Transfo 100 VA Secteur 220 VAC 50 Hz V2 AC Rd GND shunt 60 mv, 6A port parallèle du PC de commande R rhéostat max. 32 Ohms, 5A V1 Batterie 12

13 L'état de charge : pourquoi et comment. Résultats des mesures. Mesures de V1 et V2 (f = 50 Hz) Z = V2 / (k.v1) = R - j.x R = Z.cos cos(φ) X = Z.sin sin(φ) -3 x Evolution des grandeurs avec la décharge d : Zabs en fonction du DOD - mesures: R en fonction du DOD - mesures: x 10 5 X en fonction du DOD - mesures: Za bs [Ohm] R [mohm] X [Ohm] DOD [%] DOD [%] DOD [%] Z R X 13

14 IV. Conclusions. Il l existe bien une relation entre l'impédance interne et l'état de charge de la batterie. Les méthodes de mesures d'impédance présentent les avantages suivants sur leurs homologues : elles permettent d'estimer les valeurs de plusieurs paramètres internes à la batterie, donc de caractériser un modèle de son fonctionnement (électrique et chimique). elles ne sont pas basées sur une structure "rigide" et s adaptent au type de parcours et aux conditions de conduite. En conclusion, la mesure de l'impédance interne des batteries est une voie de recherche restant à explorer en profondeur et promise à un bel avenir. 14