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Détermination de l'état de charge des Détermination de l'état de charge desbatteries d'un véhicule électrique.batteries d'un véhicule électrique.

Fabrice Delfosse, 3 EMEFabrice Delfosse, 3 EME

22

Plan de la présentationPlan de la présentation

✔✔ Les véhicules électriques (VE) et leursLes véhicules électriques (VE) et leursbatteries : problématique.batteries : problématique.

✔✔ Technologie actuelle des batteries pourTechnologie actuelle des batteries pourles véhicules électriques.les véhicules électriques.

✔✔ L'état de charge : pourquoi et comment.L'état de charge : pourquoi et comment.

✔✔ Conclusions.Conclusions.

33

I.I. Les VE et leurs batteries : problématique. Les VE et leurs batteries : problématique.

■■ BatterieBatterie == composant composant essentielessentiel, ", "cœurcœur " du VE," du VE,mais qui limite actuellement ses performancesmais qui limite actuellement ses performanceset son utilisation.et son utilisation.

➥➥ coûtent cher, pèsent très lourd (de 200 à 300 kg pour propulsercoûtent cher, pèsent très lourd (de 200 à 300 kg pour propulserun véhicule citadin sur 100 km).un véhicule citadin sur 100 km).

➥➥ nécessitent une gestion thermique et électrique poussée.nécessitent une gestion thermique et électrique poussée.➥➥ les temps de recharge importants (plusieurs heures) et la faibleles temps de recharge importants (plusieurs heures) et la faible

autonomie (environ 100 km) qu'elles procurent sont de grosautonomie (environ 100 km) qu'elles procurent sont de grosdésavantages par rapport à l'essence.désavantages par rapport à l'essence.

➠➠ DONC DONC : : la technologie actuelle des VE purement électriquesla technologie actuelle des VE purement électriquesles cantonne à une utilisation presque entièrement citadine.les cantonne à une utilisation presque entièrement citadine.

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Les VE et leurs batteries : problématique.Les VE et leurs batteries : problématique.Difficultés techniques liées à la modélisation.Difficultés techniques liées à la modélisation.

■■ Fonctionnement dépend de quantités de paramètresFonctionnement dépend de quantités de paramètresparfois malaisés à identifier et/ou à mesurer.parfois malaisés à identifier et/ou à mesurer.

■■ Pas de modèle "universel" mais plusieurs modèlesPas de modèle "universel" mais plusieurs modèlessimplifiés adaptés à des cas particuliers.simplifiés adaptés à des cas particuliers.

■■ Durée de vie et état de charge dépendants deDurée de vie et état de charge dépendants del'utilisation faite de la batterie (cycles de charge/l'utilisation faite de la batterie (cycles de charge/décharge, histoire, ...).décharge, histoire, ...).

➥➥ on doit se baser sur de nombreuses mesures et deon doit se baser sur de nombreuses mesures et denombreux recoupements afin de pouvoir dégager desnombreux recoupements afin de pouvoir dégager desconclusions et un modèle fiables.conclusions et un modèle fiables.

55

II.II. Technologie actuelle des batteries pour VE. Technologie actuelle des batteries pour VE.

■■ 6 grandes familles de batteries sur le marché6 grandes familles de batteries sur le marché ::

➀➀ accumulateurs plomb/oxyde de plombaccumulateurs plomb/oxyde de plomb➁➁ accumulateurs nickel/cadmiumaccumulateurs nickel/cadmium➂➂ accumulateurs nickel/hydrures métalliquesaccumulateurs nickel/hydrures métalliques➃➃ accumulateurs sodium/chlorure de nickelaccumulateurs sodium/chlorure de nickel➄➄ accumulateurs lithium/ionaccumulateurs lithium/ion➅➅ accumulateurs lithium/polymèresaccumulateurs lithium/polymères

■■ 1 famille de piles sur le marché :1 famille de piles sur le marché :

➀➀ piles zinc/airpiles zinc/air

66

Technologie actuelle des batteries pour VE.Technologie actuelle des batteries pour VE.Synthèse des caractéristiques.Synthèse des caractéristiques.

■■ Caractéristiques liées à l'autonomie et la puissance du VE :Caractéristiques liées à l'autonomie et la puissance du VE :

■■ Exemple: véhicule de 800 kg à vide consommant 200 Wh/(t.km) ;Exemple: véhicule de 800 kg à vide consommant 200 Wh/(t.km) ;CCxx = 0,3 ; S = 2,25 m² ; = 0,3 ; S = 2,25 m² ; ηηtotaltotal = 0,75 ; = 0,75 ; kktotaltotal = 7,5 : = 7,5 :

0

50

100

150

200

250

Pb/P

bO2

Ni/C

dNi

/MH

Na/N

iCl

Li/Io

nLi

/Pol

y.Zn

/Air

Densité d'énergiepratique moyenne[Wh/kg]

Puissancespécifiquemoyenne [W/kg]

autonomie

performances

0

150

300

450

600

750

900

1050

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Autonomie [km]

Po

ids

de

s b

atte

rie

s [k

g]

0

25

50

75

100

125

150

175

200

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

Poids des batteries [kg]

Vite

sse

max

imum

[km

/h]

Pb/PbO2

Ni/Cd

Ni/MH

Li-Ion

77

III.III. L'état de charge : pourquoi et comment. L'état de charge : pourquoi et comment.

■■ Paramètre essentiel pour la conduite d'un VE.Paramètre essentiel pour la conduite d'un VE.■■ La connaissance de l'état de charge (S.O.C.)La connaissance de l'état de charge (S.O.C.)

conditionne la confiance que le conducteur a enconditionne la confiance que le conducteur a enson véhicule.son véhicule.

➥➥ nécessité de pouvoir estimer avecnécessité de pouvoir estimer avecprécision ce SOC (à quelques % près).précision ce SOC (à quelques % près).Actuellement : ± 10 à 20 % d'erreur !Actuellement : ± 10 à 20 % d'erreur !

➥➥ pour cela, il faut modéliser la batteriepour cela, il faut modéliser la batterieou son fonctionnement et ou son fonctionnement et pouvoir appliquer ce modèle enpouvoir appliquer ce modèle enpratiquepratique ..

➥➥ le S.O.C. dépend fortement du le S.O.C. dépend fortement du type de parcourstype de parcours et du et du type detype deconduite.conduite.

88

L'état de charge : pourquoi et comment.L'état de charge : pourquoi et comment.Méthodes de détermination du S.O.C.Méthodes de détermination du S.O.C.

■■ 3 grandes familles de méthodes pour déterminer3 grandes familles de méthodes pour déterminerl'état de charge :l'état de charge :

➀➀ méthodes physiquesméthodes physiques : changements physiques dans : changements physiques dansla batterie durant la décharge.la batterie durant la décharge.

➁➁ méthodes électriquesméthodes électriques : changements électriques aux : changements électriques aux

bornes durant la décharge.bornes durant la décharge.

➂➂ méthodes de mesures d'impédanceméthodes de mesures d'impédance : changements : changements

de l'impédance interne lors de la décharge.de l'impédance interne lors de la décharge.

99

L'état de charge : pourquoi et comment.L'état de charge : pourquoi et comment.➀➀ Méthodes physiques.Méthodes physiques.

■■ Mesure de la densité de l'électrolyte au cours de laMesure de la densité de l'électrolyte au cours de ladécharge décharge →→ en en ththééorieorie , estimation directe du S.O.C., estimation directe du S.O.C.

➥➥ en pratique, seulement utilisableen pratique, seulement utilisablepour pour batteries fixes.batteries fixes.

➥➥ erreurs en cas de décharge àerreurs en cas de décharge àcourant non constant, problèmescourant non constant, problèmesdede localisation des capteurs localisation des capteurs..

➥➥ seulement applicable pour desseulement applicable pour desbatteries pour lesquellesbatteries pour lesquellesl'électrolyte intervient dans lal'électrolyte intervient dans laréactionréaction (par ex. batteries Pb). (par ex. batteries Pb).

1010

■■ Mesures de tension et courants lors de la déchargeMesures de tension et courants lors de la décharge→→ estimationestimation du S.O.C. via des lois coulom du S.O.C. via des lois couloméétriquestriqueset des lois empiriques de correction.et des lois empiriques de correction.

➥➥ Loi coulomLoi couloméétriquetrique : :

C Ci i = a.E= a.E00 + b [Ah] + b [Ah]

CCr r (t) = (t) = CCii - i dt - i dt

➥➥ CorrectionsCorrections : :➀➀ Peukert : C = IPeukert : C = Inn.t.t➀➀ IEC 254-1 : CIEC 254-1 : CTT = C = CT=30T=30.[1+0,08.(T-30)].[1+0,08.(T-30)]

T↓

I↑

L'état de charge : pourquoi et comment.L'état de charge : pourquoi et comment.➁➁ Méthodes électriques.Méthodes électriques.

∫t

0

1111

L'état de charge : pourquoi et comment.L'état de charge : pourquoi et comment.➂➂ Mesures d'impédance interne.Mesures d'impédance interne.

■■ Méthodes assez récentes : superposer un signalMéthodes assez récentes : superposer un signalalternatif à la composante continue et déduirealternatif à la composante continue et déduirel'impédance complexe du signal mesuré en retour.l'impédance complexe du signal mesuré en retour.

➥➥ l'impédance l'impédance dépenddépend de la de la fréquencefréquence et de la et de la formeforme du signal de du signal demesure :mesure :

➥➥ l'impédance l'impédance varie avec l'état de chargevarie avec l'état de charge , et ce de manière plus ou, et ce de manière plus oumoins linéaire pour certains signaux de mesure.moins linéaire pour certains signaux de mesure.

➥➥ des des mesures pour différents signauxmesures pour différents signauxpermettent de déduire des permettent de déduire des paramètresparamètresinternesinternes à la batterie : à la batterie :

1212

L'état de charge : pourquoi et comment.L'état de charge : pourquoi et comment.Chaîne de mesures employée.Chaîne de mesures employée.

■■ Principe :Principe : ■■ Réalisation pratique :Réalisation pratique :

Batterie

+ -

V1

GNDV2

shunt

rhéostat

Secteur220 VAC

50 Hz

Transfo100 VA

relais 1

relais 2

+12VDC

Sectionneur

Boîtier de commande

max. 32 Ohms, 5A

Rd

60 mV, 6A

Electronique

de

commande

port parallèle

du PC de commande

R

11

109

8

7

5

6

4

3

2

1

AC

1313

0 20 40 60 80 1001 .7

1 .7 5

1 .8

1 .8 5

1 .9

1 .9 5

2

2 .0 5

2 .1

2 .1 5

2 .2x 10

-3 Za bs e n fonction du DOD - m e s ure s : 0 3 -05

DOD [%]

Za

bs

[Oh

m]

■■ Mesures de V1 et V2 (f = 50 Hz) Mesures de V1 et V2 (f = 50 Hz) ⇒⇒ ZZ = V2 / (k.V1) = R - j.X = V2 / (k.V1) = R - j.X RR = Z. = Z.coscos((φφ)) XX = Z. = Z.sinsin((φφ))

■■ Evolution des grandeurs avec la dEvolution des grandeurs avec la déécharge :charge :

L'état de charge : pourquoi et comment.L'état de charge : pourquoi et comment.Résultats des mesures.Résultats des mesures.

0 20 40 60 80 1001

1 .5

2

2 .5

3

3 .5

4

4 .5

5x 10

-4 X e n fonction du DOD - m e s ure s : 03 -05

DOD [%]X

[O

hm]

0 20 40 60 80 10 01 .7 5

1 .8

1 .8 5

1 .9

1 .9 5

2

2 .0 5

2 .1

2 .1 5

2 .2

2 .2 5R e n fo nc tion du D OD - me s ure s : 03 -05

DO D [% ]

R [m

Ohm

]

ZZ RR XX

1414

IV.IV. Conclusions. Conclusions.

■■ IIl existe bien une relation entre l'impédance interne etl existe bien une relation entre l'impédance interne etl'état de charge de la batterie.l'état de charge de la batterie.

■■ Les méthodes de mesures d'impédance présententLes méthodes de mesures d'impédance présententles avantages suivants sur leurs homologues :les avantages suivants sur leurs homologues :

➥➥ elles permettent d'estimer les valeurs de plusieurs paramètreselles permettent d'estimer les valeurs de plusieurs paramètresinternesinternes à la batterie, donc de caractériser un modèle de son à la batterie, donc de caractériser un modèle de sonfonctionnement (électrique et chimique).fonctionnement (électrique et chimique).

➥➥ elles ne sont elles ne sont pas basées sur une structure "rigide"pas basées sur une structure "rigide" et ets’adaptent au type de parcours et aux conditions de conduite.s’adaptent au type de parcours et aux conditions de conduite.

En conclusion, la mesure de l'impédance interne desEn conclusion, la mesure de l'impédance interne desbatteries est une voie de recherche restant à explorer enbatteries est une voie de recherche restant à explorer en

profondeur et promise à un bel avenir.profondeur et promise à un bel avenir.