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Détermination de l'état de charge des
batteries d'un véhicule électrique.
Fabrice Delfosse, 3 EME
1
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
I. Les VE et leurs batteries : problématique.
■
Batterie = composant essentiel, "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
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
II. Technologie actuelle des batteries pour VE.
■
6 grandes familles de batteries sur le marché :
➀
➅
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
➁
➂
➃
➄
5
Technologie actuelle des batteries pour VE.
Synthèse des caractéristiques.
■
Caractéristiques liées à l'autonomie et la puissance du VE :
250
200
150
100
Densité d'énergie
pratique moyenne
[Wh/kg]
autonomie
Puissance
spécifique
moyenne [W/kg]
performances
50
Pb
/P
bO
2
Ni
/C
d
Ni
/M
H
Na
/N
iC
l
Li/
Ion
Li/
Po
ly.
Zn
/A
ir
0
Exemple: véhicule de 800 kg à vide consommant 200 Wh/(t.km) ;
Cx = 0,3 ; S = 2,25 m² ; ηtotal = 0,75 ; ktotal = 7,5 :
1050
200
900
175
Vitesse maximum [km/h]
Poids des batteries [kg]
■
750
600
450
300
150
150
Pb/PbO2
Ni/Cd
Ni/MH
Li-Ion
125
100
75
50
25
0
0
0
20
40
60
80
100 120 140 160 180 200
Autonomie [km]
0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300
Poids des batteries [kg]
6
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
L'état de charge : pourquoi et comment.
Méthodes de détermination du S.O.C.
■
3 grandes familles de méthodes pour déterminer
l'état de charge :
➀
méthodes physiques : changements physiques dans
la batterie durant la décharge.
➁
méthodes électriques : changements électriques aux
bornes durant la décharge.
➂
méthodes de mesures d'impédance : changements
de l'impédance interne lors de la décharge.
8
L'état de charge : pourquoi et comment.
➀ Méthodes physiques.
■
Mesure de la densité de l'électrolyte au cours de la
décharge → en théorie, 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
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 :
Ci = a.E0 + b
[Ah]
I↑
t
Cr (t) = Ci - ∫0 i dt
➥
➀
➀
T↓
Corrections :
Peukert :
C = In.t
IEC 254-1 : CT = CT=30.[1+0,08.(T-30)]
10
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
L'état de charge : pourquoi et comment.
Chaîne de mesures employée.
Principe :
■
■
Réalisation pratique :
Boîtier de commande
relais 1
Transfo
100 VA
1
Sectionneur
Electronique
de
relais 2
commande
+12
VDC
8
2
3
9
10
Secteur
220 VAC
50 Hz
4
5
6
AC
7
GND
V2
11
port parallèle
Rd
du PC de commande
shunt
60 mV, 6A
R
+
rhéostat
max. 32 Ohms, 5A
-
V1
Batterie
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L'état de charge : pourquoi et comment.
Résultats des mesures.
■
Mesures de V1 et V2 (f = 50 Hz) ⇒
■
Evolution des grandeurs avec la décharge :
x 10
-3
Z = V2 / (k.V1) = R - j.X
R = Z.cos(φ)
X = Z.sin(φ)
R e n fo nc tio n d u D O D - m e s ure s : 0 3 -0 5
Za b s e n fo nctio n d u D O D - m e s ure s : 0 3 -0 5
x 10
2 .2 5
2 .2
2 .1 5
2 .2
2 .1
2 .1 5
2 .0 5
2 .1
2
2 .0 5
-4
X e n fo nctio n d u D O D - m e s ure s : 0 3 -0 5
5
4 .5
1 .9 5
1 .9
3 .5
X [O hm ]
R [m O hm ]
Za b s [O hm ]
4
2
1 .9 5
1 .8 5
1 .9
1 .8
1 .8 5
1 .7 5
1 .8
3
2 .5
2
1 .7
1 .5
1
1 .7 5
0
20
40
60
80
100
0
20
40
60
80
100
0
20
40
60
D O D [% ]
D O D [% ]
D O D [% ]
Z
R
X
80
100
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IV. Conclusions.
■
■
➥
➥
Il 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.
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