Clefs n°61 Printemps 2013
Clefs n°61 Printemps 2013
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°61 de Printemps 2013

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 108

  • Taille du fichier PDF : 5,8 Mo

  • Dans ce numéro : les énergies bas carbone.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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58 a c Transformation, stockage, transport et distribution Figure 2. Électronique de gestion de packs batteries. Ces packs sont formés de l’assemblage de plusieurs unités d’un module standard développé au CEA. Chaque module est muni d’une carte de mesure de tension, de température et d’équilibrage. Les informations sont ensuite isolées électriquement et transmises par réseau CAN (Controller Area Network), le réseau communicant standard de l’automobile. Une mesure de courant est placée sur le circuit de courant de puissance. Une résistance shunt de faible valeur permet d’apporter une grande précision sur toute la plage de mesure, aussi bien en phase de roulage – 200 ampères (A) maximum pour une batterie de 400 volts (V) – qu’en phase de charge – moins de 10 A pour la même batterie en charge lente. De même, une carte positionnée sur le shunt a pour rôle de transmettre les informations avec isolement électrique sur le réseau CAN. La carte centrale à microcontrôleur du BMS assure les fonctions de gestion et de calcul à partir des informations reçues. En a, module d’accumulateurs Li-ion à base de phosphate de fer (LiFePO 4) issus de l’outillage électroportatif. En b, carte de mesure et d’équilibrage connectée directement sur les accumulateurs. Enc, shunt de mesure de courant. En d, carte à microcontrôleur comprenant les algorithmes de surveillance, sécurité, équilibrage et calculs des états (charge, énergie, santé, sécurité, puissances maximales en décharge et recharge...). CLEFS CEA - N°61 - PRINTEMPS 2013 Un contrôle électronique Les batteries d’accumulateurs Li-ion doivent impérativement être munies d’une électronique de gestion (BMS, Battery Management System). Celle-ci assure la surveillance en tension de tous les accumulateurs, pour arrêter la charge sur un seuil de tension haute et stopper la décharge sur un seuil de tension basse. Elle contrôle également la température de la batterie, calcule l’autonomie qui lui reste et indique la puissance maximale qu’elle peut fournir ou absorber en phase de récupération, au freinage et en descente. Enfin, l’électronique de gestion informe sur l’état de vieillissement de la batterie, notifie ses défauts et gère l’équilibrage en tension des accumulateurs (figure 2). L’état de charge est l’indicateur classique de l’autonomie restante. À la charge, on intègre le courant au cours du temps afin de connaître le nombre d’ampèresheures entrés dans la batterie. Le même calcul s’effectue pendant le roulage. Le décompte de la charge disponible permet d’estimer l’autonomie restante. Dans le cas des accumulateurs Li-ion, l’intégration du courant au cours du temps, avec recalage en fin de charge, lors de l’atteinte de la tension maximale, conduit à une meilleure précision de l’autonomie. L’état de santé d’une batterie est évalué en fonction de la baisse de sa capacité, exprimée en pourcentage. Classiquement, une batterie est considérée comme étant en fin de vie après une perte de capacité de 20 à 30%. b d CEA/Institut Liten Les accumulateurs Li-ion ne peuvent pas être totalement déchargés, sous peine de détérioration. Leur assemblage pour constituer une batterie est donc une opération qui comporte des risques de court-circuit et d’électrisation (1). Pour minimiser ces risques, une conception par modules de tension non dangereuse, qui seront connectés en série le plus tard possible, a été choisie. Les batteries et leur coût d’usage Dans les années quatre-vingt-dix, 10 000 véhicules électriques de marques Peugeot, Citroën et Renault ont été vendus, suite à l’obligation faite aux administrations de disposer d’une part de véhicules électriques. La production a ensuite été abandonnée. Les médias communiquent aujourd’hui sur le fait que les véhicules électriques ne se sont pas développés à cause d’une autonomie insuffisante. Si cela est indéniable, là n’est pas la raison première de cet arrêt. Le retour d’expérience de ces véhicules a en effet montré que le problème principal résidait dans le coût d’usage de ces véhicules, alors trois fois plus élevé que celui des véhicules thermiques. L’énergie extraite de la batterie lors du roulage n’atteignait pour une NiCd que 70% de celle annoncée, du fait de la différence entre les conditions d’usage (décharge en une heure) et celles des spécifications constructeurs (décharge en trois heures). Sur d’autres véhicules, à base de batterie au plomb, l’énergie extraite était même inférieure de 50% à la spécification (spécification pour une décharge en 10 heures au lieu de 1 heure). Le nombre de cycles en utilisation réelle était également très inférieur à celui des spécifications. Au lieu de durer 100 000 km, les batteries devaient être changées au bout de trois ou quatre ans et après 30 000 à 40 000 km. Quant au coût d’usage du stockage de l’énergie (2), il était de l’ordre de 1,5 € /kWh pour les voitures des années quatre-vingt-dix, alors qu’il doit être inférieur à 0,5 € /kWh pour être compétitif avec le coût de l’énergie issue du carburant, une fois pris en compte le rendement du moteur thermique. Dans ce calcul, le coût de l’électricité à la prise est négligé, car aujourd’hui très inférieur au coût d’usage du stockage. Avec les véhicules hybrides, il est possible d’atteindre un coût d’usage du stockage de l’énergie compétitif en faisant fonctionner la batterie uniquement avec des microcycles de 5%. Ainsi, une batterie NiMH, spécifiée pour 1000 cycles de charge-décharge complets, peut faire 100 000 cycles de 5%. Le coût d’usage est alors divisé par cinq. C’est l’un des atouts des véhicules hybrides à dérivation de puissance tels que la Toyota Prius : à tout instant, le véhicule choisit s’il vaut mieux employer l’essence ou l’électricité stockée dans la batterie. Pour les véhicules électriques, donc sans source d’énergie complémentaire, les batteries sont utilisées en cycles complets. Aujourd’hui, un coût d’usage compétitif est accessible grâce aux baisses des coûts liées à la production en volume et à l’accroissement régulier du nombre de cycles en usage réel. (1) Électrisation : passage de courant électrique dans le corps humain, pouvant entraîner des lésions, voire le décès. (2) Coût d’usage du stockage de l’énergie : coût d’achat du stockage (en € /kWh, où l’énergie est celle réellement disponible en utilisation) divisé par le nombre de cycles en usage réel.
Les véhicules doivent être légers pour minimiser la taille de la batterie, donc ses coûts d’achat et d’usage. Une grande part des véhicules électriques actuels sont des véhicules thermiques électrifiés. Avec la « diésélisation » du parc, les besoins d’insonorisation associés et le renforcement de la sécurité passive et active des véhicules, leur masse s’élève à 1 100-1 300 kg. L’électrification conduit à une masse finale de l’ordre de 1 500 kg et à l’obligation d’inclure une batterie de 25 à 30 kWh pour assurer 160 km d’autonomie. La taille du véhicule et celle de la batterie influent fortement sur les coûts d’achat et/ou de location, ainsi que sur le coût kilométrique. Un véhicule beaucoup plus léger et une batterie réduite en proportion sont nécessaires pour garantir la compétitivité des véhicules électriques. Ceci s’avère possible à condition, plutôt que d’électrifier l’existant, de concevoir une voiture électrique optimisée, ce qui est en cours chez les constructeurs, ou de proposer des véhicules différents tels que scooters, trois-roues, quadricycles ou Renault Twizy (3). La recharge rapide Les accumulateurs lithium peuvent être optimisés en puissance en agissant sur les matériaux d’électrodes et leur épaisseur, ainsi que sur les feuillards d’aluminium et de cuivre (4), pour être en mesure de réaliser des charges rapides. Ceci permet de proposer des véhicules électriques pour des trajets locaux et domicile-travail, avec des charges lentes de nuit en usage régulier, tout en ayant la possibilité d’effectuer de longs trajets avec des successions de roulages et de charges rapides. La recharge rapide des accumulateurs lithium ouvre également des perspectives nouvelles pour la conception de véhicules, comme l’illustre le projet collaboratif ElLiSup (Autobus Électrique à batteries au Lithium et Supercapacités), porté par la société Irisbus. Pour parvenir à offrir 150 km d’autonomie à un bus, en recharge de nuit, il faut l’équiper d’une batterie dont la masse peut atteindre plusieurs tonnes, ce qui n’est économiquement compétitif que pour une durée de vie de la batterie de dix années. Une autre solution consiste à utiliser des supercondensateurs (5) dimensionnés pour couvrir la distance inter arrêts, et de placer une station de recharge de forte puissance (200 kW) à chaque arrêt. Cette solution est très fortement pénalisée par le coût de l’infrastructure nécessaire à chaque station. Le projet ElLiSup s’attache au développement d’un bus léger, avec une chaîne de traction optimisée et une batterie de puissance chargée en bout de ligne en cinq minutes. L’infrastructure se limite à une borne de recharge de 200 kW à chaque fin de ligne. La taille de la batterie est trois fois plus petite que dans les options précédentes et son coût (3) La Twizy, du constructeur automobile Renault, est une voiture électrique biplace en tandem. De petites dimensions (2,34 m de long, 1,24 m de large et 1,45 m de haut), elle affiche une autonomie de 100 km en milieu urbain et peut être rechargée en trois heures et demie. Elle est équipée de batteries Li-ion de 6,1 kWh. Sa masse, batteries comprises, est de 450 kg. (4) Ils servent à collecter le courant. (5) Supercondensateur : il récupère l’énergie cinétique lors de la phase de freinage et la transforme en électricité. Capable de se charger et de se décharger très rapidement, il se présente comme une batterie ultra-rapide. Le véhicule électrique démonstrateur du CEA a permis de mettre en évidence l’impact de la masse sur les performances. En remplaçant le pack batterie NiCd d’origine, de 12 kWh spécifié (mais de 7 à 8 kWh en réel), par une batterie LiFePO 4 de 10 kWh, puis de 13 kWh, d’une masse divisée par deux, les chercheurs du CEA ont doté ce véhicule d’une autonomie de 130 km en usage réel, de bonnes performances en montage (montée à l’Alpe d’Huez et retour) et d’une recharge rapide. L’autonomie est analogue à celle des voitures électriques d’aujourd’hui, mais avec une batterie deux fois plus petite. Ainsi, une conception adaptée, prenant en compte les contraintes de sécurité actuelles, permettrait de proposer un véhicule électrique de moins d’une tonne, à batterie et coût réduits. Les chercheurs ont également démontré que ce véhicule pouvait parcourir, grâce à la recharge rapide, 780 km en journée et 1 240 km en 24 heures, sur route, autour de Grenoble (Isère). d’achat diminue en conséquence. Le temps de retour sur investissement est ramené à trois ou quatre ans. Un bus hybride rechargeable et un bus électrique sont mis au point selon ce concept (voir Les transports électriques, p.84). L’électrification des transports connaît aujourd’hui un développement rapide pour la traction des trains et la propulsion des bateaux (électriques ou diesel-électriques), ainsi que pour les commandes électriques des avions et des véhicules. Le but est d’économiser l’énergie tout en augmentant les prestations. Les batteries progressent régulièrement chaque année, portées par les marchés de toutes les applications nomades. Si dans le domaine des microprocesseurs, la loi de Moore indique que le nombre de transistors sur une puce double tous les deux ans, dans celui des batteries, la capacité des accumulateurs croît de 10% par an. Les performances des batteries et des piles à combustible s’améliorent continûment en termes d’autonomie, de sécurité et de durée de vie. Les coûts d’achat et d’usage deviennent compétitifs. L’objectif est de mettre en circulation en France 400 000 véhicules électriques et hybrides en 2015 et 2 millions à l’horizon 2020. > Daniel Chatroux Institut Liten (Laboratoire d’innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux) Direction de la recherche technologique CEA Centre de Grenoble CLEFS CEA - N°61 - PRINTEMPS 2013 CEA/Institut Liten 59



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