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Université de Liège Faculté des Sciences Appliquées Année académique '(/,6$7,21'(/ (7$7'(&+$5*('(6 %$77(5,(6'(9(+,&8/(6(/(&75,48(6 Travail de fin d'études proposé par Mr Colson Jean-François pour l'obtention du grade légal d'ingénieur Civil Electricien et Mécanicien tendance électricité. Table des matières : 1. Introduction Définition Des Objectifs : Véhicules Electriques : Raisons Ecologiques : a. Emissions Gazeuses : b. Pollution Sonore : Place Dans Le Réseau Electrique : Indicateurs Et SOC : Batteries Types Principaux De Batteries : a. Préambule : b. Liste Des Accumulateurs Principaux : c. Calcul De La Capacité : d. Constition Des Accumulateurs: Accumulateurs Au Plomb : a. Historique Des Accumulateurs Au Plomb : b. Caractéristiques : c. Réactions Electrochimiques Dans Les VRLA : d. Schémas : e. Constitution : Accumulateurs alcalins : a. Introduction : b. Avantages Et Inconvénients : c. Accumulateurs Nickel - Cadmium: d.Réactions Chimiques : e. Additifs : f. Accumulateurs Nickel Métal Hydrure : g. Réactions Chimiques : h. Comparaison entre Ni-Cd et Ni-MH: Accumulateurs Au Lithium : Mécanisme D'Intercalage : Modélisation de l état de charge des batteries au plomb Définition Et Grandeurs Associées : Modèle chimique a. Conductivité : b. Nombre De Transport Et Mobilité Ionique : c. Force Electromotrice Des Piles : d. Phénomène De Polarisation : e. Polarisation d Activation : f. Polarisation de Concentration : g. Polarisation Résistive : h. Double Couche Electronique : Modèle électrique : a. Introduction : b. Mesure A Partir Du Rendement : c. Parametres : d. Influence De La Recharge Pendant Le Freinage : e. Mesure De La Tension : f. Modèle équivalent électrique : g. Mesure de l Impédance : Expériences et perspectives Mesures sur batterie au nickel :... 84 4.2. perspectives: Annexes et Bibliographie Bibliographie: Programmes:... 92 Avant toute chose, je veux remercier les personnes qui ont rendu ce travail possible: Tout d'abord Mr Jean-Louis Lilien, pour sa présence et sa porte toujours ouverte. Son esprit de synthèse aura j'espère éclairé ce travail. Je tiens également à remercier Mr le Professeur Maggetto ainsi que Mr Beya du service d'électrotechnique de la Vrije Universiteit Brussels pour leur accueil et soutien pendant ce travail. Je tiens aussi à signaler qu'ils ont fait preuve d'une grande patience et compréhension lorsque nous avons rencontré des problèmes dans la chaîne de mesure. Je n'aurais pas pu faire ce travail, et d'ailleurs aussi mes études si je n'avais pas eu ma famille qui m'a soutenu pendant ces années et m'a donné la motivation de toujours continuer. A Isabelle Drapier, ma fiancée, pour son aide tant au niveau académique que pour son soutien moral, et ce, malgré son emploi d'enseignante et ses études complémentaires en gestion à l'université. A Fabrice Delfosse, grâce à qui j'ai eu l'occasion de choisir ce travail et pour les nombreuses recherches que nous avons effectuées en commun. A mes amis de la section 3 ième Elec-Mec-Elec , et à Olivier Houet plus particulièrement, pour une solidarité que je n'avais jamais connu auparavant. A tous ceux que je n'ai pas cité mais que je n'oublie pas. Merci, Jean-François Colson. Préface: Les batteries, dans le domaine des véhicules électriques (VE) plus particulièrement, sont d'une importance capitale pour assurer à ceux-ci un développement important. Malgré les progrès réalisés dans d'autres domaines, les phénomènes associés au processus chimique sont pourtant très peu compris ou utilisés. La modélisation de l'état de charge, qui est le but de ce TFE, est un domaine où peu de recherches ont étés effectuées et les résultats de celles-ci n'ont été que très faiblement utilisés dans l'industrie. L'indicateur de charge est pourtant un des points faibles des VE car son imprécision rend le véhicule très peu fiable. Ce travail reprendra donc, après quelques rappels sur les technologies de batteries utilisées actuellement pour les VE, les différents phénomènes intervenant dans les réactions électrochimiques des accumulateurs. Colson Jean-François ,1752'8&7,21 1.1. DÉFINITION DES OBJECTIFS : Dans ce travail, je ferai quelque fois allusion à nous, ce pronom reprend généralement Fabrice Delfosse et moi-même car la majorité du travail effectué ici a été réalisé avec sa collaboration. En effet nos deux travaux, même s'ils sont différents, portent sur le même domaine. Nos recherches à la Vrije Universiteit Brussels (VUB) ainsi que nos recherches à Liège sont en général basées sur les mêmes sources. La différenciation des travaux étant à l origine que Fabrice s orienterait plus vers le modèle électrique voir une implémentation électronique et moi-même vers une analyse du modèle de la batterie par des identifications de systèmes avec une approche plus chimique. Ces objectifs originaux ont cependant dû être malheureusement changés dans les derniers mois car un problème matériel de la chaîne automatique de mesure ne nous a pas permis de continuer dans ce sens. Mon objectif est donc de déterminer le modèle de l état de charge des batteries électriques avec une orientation vers les phénomènes chimiques intervenant dans le processus. Vu que les batteries au plomb forment la majeur partie des batteries pour véhicules électriques, c est vers ce type d accumulateur que mes travaux se sont naturellement orientés. Comme dit précédemment, je n ai pu obtenir les résultats prévus à la VUB pour, à partir de ceux-ci, appliquer des théories d identification de systèmes ainsi que l application de l apprentissage inductif. Il est noter que ces méthodes permettraient d obtenir un modèle précis car basé sur l expérience. Des arbres de décision permettraient aussi de facilement implémenter un indicateur d état de charge correct. Ces dernières remarques étant pour le lecteur qui désirerait approfondir des recherches dans ce domaine. C est donc principalement à partir de modèles et de raisonnements ainsi qu à quelques expériences que je justifie mes conclusions. Il est à noter que dans le cadre d une reprise de ce sujet, une approche orientée sur des résultats expérimentaux me semble très importante et après maintes recherches sur le sujet, très peu d études ont étés réalisées dans ce sens. En chapitre 4, je donnerai l état de mes travaux dans cette orientation, principalement l élaboration de la chaîne de mesures, afin de faciliter l avancement dans cette voie qui était celle prévue pour ce travail. La modélisation de l état de charge doit à mon sens apporter des renseignements utilisables pour l implémentation dans un module électronique embarquable. C est pourquoi je cherche à expliquer un modèle électrique équivalent qui, à partir de mesures simples de courants et de tensions, ainsi que leurs évolutions temporelles, me fournirait une image correcte de l état de charge (S.O.C.). Les méthodes actuellement utilisées ne tiennent pas ou très peu compte de caractéristiques, pourtant très importantes, telles que le courant nominal retiré à la batterie, la température ou l état de vieillissement de la batterie. C est pourquoi je montrerai des correspondances entre certaines caractéristiques chimiques et électriques de la batterie car le modèle chimique est le seul élément fiable sur lequel on peut se baser et non sur un modèle purement électrique. Sachant que les seuls tests sur batteries que nous avons pu réaliser ont été effectués sur des accumulateurs au Ni/Cd que le service de thermodynamique de Monsieur le Professeur Lebrun nous a généreusement laissé utiliser, je reprendrai les correspondances entre ces deux types de batteries. 1.2. VÉHICULES ELECTRIQUES : En 100 ans, les véhicules électriques (V.E.) ont énormément évolués. L image habituelle des VE est un véhicule lent, qui ressemble plus à un jouet qu à une voiture. Or, le premier véhicule à dépasser les 100 km/h ( km/h exactement) était un VE, cette voiture s appelait la «jamais contente» et elle avait été créée par un Belge, Camille Jenatzy. Actuellement, on en est arrivé à des voitures principalement urbaines qui apportent une absence presque totale de pollution par les gaz et par le bruit. Ces dernières années, suite au développement de ces véhicules pour des raisons écologiques et aux recherches de solutions alternatives au pétrole, les performances de ces VE ont largement évolué pour arriver en directe concurrence avec les véhicules thermiques classiques. Il est à noter que le nombre d initiatives dans le domaine des VE ne cesse d augmenter, comme exemple nous pouvons citer ZEV (Zero Emission Vehicle), ZEUS (Zero Emission Vehicle in Urban Societies), ZEBRA (Zero Emission Battery Research Activity), Citelec ou encore le célèbre symposium sur les véhicules électriques (EVS) qui se tiendra cette année à Bruxelles. Fig.1 La Jamais contente Dans quelques années, lorsqu'il y aura des productions en série, le prix de ces véhicules sera totalement équivalent à une voiture actuelle car ces voitures, batteries mises à part, sont de conception plus simple que les voitures thermiques. En effet, la plupart des VE fonctionnent sur un seul rapport et donc il n y a pas besoin de boîte de vitesses. De plus, vu l absence d explosion dans le moteur, la difficulté de réaliser des cylindres et des pistons n existe plus ainsi que toute la problématique des gaz d échappement, de la circulation du carburant, On estime que la vie d un VE n est pas définie sur l âge du moteur mais bien sur le nombre de cycles que les batteries peuvent supporter A titre d exemple, voici le modèle actuel de Peugeot, la 106 électrique : Fig.2 la 106 Electric , avril 1998 Ce véhicule qui nous a été prêté pendant une semaine afin d en faire la présentation à l Université, est une preuve que ces véhicules sont une réalité et non un projet et que dès à présent, ils ont leur place dans le réseau routier. Afin d illustrer l évolution des performances des VE, voici un graphique montrant l évolution des autonomies et des vitesses maximales entre les Symposiums sur les Véhicules Electriques (EVS) de 1994 et 1996 : Fig.3 évolution des vitesses Fig.4 évolution des autonomies Ces évolutions montrent que les VE vont devenir de plus en plus présents dans notre environnement. Un autre avantage des VE est le prix d utilisation. En effet, lorsque le supplément de prix que l on doit actuellement payer pour les prototypes aura nettement diminué, aussi bien lors de l achat que pour l utilisation, on aura des prix inférieurs aux véhicules classiques. Ceci est dû au fait que la conception des VE est plus simple. Le moteur thermique est un ensemble complexe comportant un bloc où circulent des gaz portés à des températures dépassant les 1000 C. Les pièces qui le constituent (pistons, boîte de vitesses, bielles, soupapes, organes de commande et de distribution) sont toutes animées de mouvements alternatifs engendrant des forces d'inertie qui ne sont que partiellement équilibrables. Les fonctions annexes (carburation, graissage, refroidissement) exigent l'utilisation d'un matériel compliqué, en constante évolution. Sa réalisation est donc onéreuse car les opérations d'entretien sont multiples et les révisions périodiques nombreuses. Le moteur électrique par contre est beaucoup plus simple car il peut se schématiser à une seule pièce tournante; l'induit. Voilà donc pourquoi la voiture électrique semble idéale si on ne tient pas compte des batteries qui, malgré les progrès réalisés, ne donnent pas une puissance suffisante. Un dernier point qu'il ne faut pas négliger est que, au total du bilan, l on a besoin de moins d énergie pour obtenir le mouvement avec un VE par rapport à l'énergie totale utilisée par le moteur thermique. (voir chapitre 1.3) 1.3. RAISONS ECOLOGIQUES : La principale raison d être des VE est d ordre écologique. Vu l augmentation du trafic dans les villes, il est nécessaire d apporter des solutions à la pollution urbaine, inévitablement croissante. Dans la majorité des trajets effectués en Belgique, des autonomies de plus de 100 kilomètres ne sont pas nécessaires et donc des véhicules urbains non polluants, avec un absence presque totale de bruits mécaniques sont fortement indiqués pour diminuer les inconvénients liés à l augmentation inévitable du trafic urbain. 1.3.A. EMISSIONS GAZEUSES : Afin de donner quelques ordres de grandeurs, voici quelques chiffres de différentes études menées sur le sujet. Diminution des émissions dans l'air (South Coast, L.A.) Etude HC CO NOx SOx Hwang & Al Total 95% - 96% 99% 56% -78% - Hwang & Al Local 99,4 %-99,9% 99,4%-99,9% 98,5%-98,7% 99,4% Total 98,9%-99,6% 98,6%-99,7% 59,6%-79,9% 17% Austin & Caretto 1995 Total 92% 98% 4% CARB Local 98,3% - 93% Total 95% - 47% Ces études ont étés réalisées aux Etats-Unis dans le South Coast (EVS 14 : «Evaluation of Methods Used in South Coast Air Basin Studies» ). La différence entre émissions locales et totales provient du fait que dans le cas où les VE sont utilisés, les gaz sont émis aux sites de productions d électricité et donc en-dehors des villes ce qui permet une plus grande dissolution au contraire des véhicules classiques qui provoquent une forte concentration de gaz dans les villes. Il faut aussi ajouter que dans les pays où l'énergie nucléaire est présente, une nouvelle diminution de production de gaz polluant est à considérer. Comparaison d'émissions de gaz g/km 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 CO NMHC Nox SO2 Fig.5 Comparaison d'émissions gazeuses Petrol diesel CNG electric Il est à noter que l on a «zéro» émissions locales pour les VE. Comme dernier exemple, examinons les résultats d'une étude visant à analyser les variations d'émissions gazeuses quand la totalité des véhicules thermiques d'afrique du Sud est remplacée par des EV: Fig.6 comparaison d'émissions pour un remplacement total par des VE Cette diminution de pollution provient principalement du fait que moins d énergie est gaspillée dans le processus. Le rendement énergétique global des véhicules thermiques très faible est à comparer au rendement énergétique des centrales et du rendement élevé du VE (en tenant compte des pertes de la batterie et du moteur électrique) Voici un dessin qui explique ce processus : Fig.7 comparaison pertes énergétiques Le bilan énergétique est aussi très important, il conditionne la quantité d énergie nécessaire et donc la quantité de CO 2 produite : énergie dans le transport du carburant énergie dans la chaîne de traction énergie perdue à la production (centrale) énergie pour le mouvement Fig.8 balance de l'énergie On voit donc qu une plus petite énergie est nécessaire, ce qui induit une diminution de la production de CO 2 qui est en grande partie responsable de «l effet de serre». Les émissions ne donnent pas directement l indice de la qualité de l air, d autres facteurs entrent en compte dans l évaluation de celui-ci. Il faut donc tenir compte de la location, du «timing», de l altitude et du climat. Ces deux derniers paramètres ne peuvent être modifiés mais dans le cas où les VE sont utilisés, les deux premiers paramètres ont une influence positive sur la pollution. L activité humaine (transport et industrie) émet dans l atmosphère des gaz dits polluants tels que les oxydes d azote (NO x ), les hydrocarbures imbrûlés ( -CH) ainsi que du monoxyde et du dioxyde de carbone qui, s'il n est pas toxique, est cependant dangereux pour l environnement à cause de «l effet de serre» qu il provoque. Les polluants primaires (NO x, -CH, CO) interviennent dans la création d une pollution secondaire, la pollution photochimique. Sous l influence d'un rayonnement ultraviolet, il se produit diverses réactions chimiques qui conduisent à la formation d ozone ( O 3 ) et de peroxyacétylnitrate (PAN). Ces deux composés sont très nocifs pour la santé ; en effet, l ozone est responsable d un nombre croissant d affections respiratoires surtout chez les enfants et les personnes sensibles et le PAN quant à lui est irritant pour les yeux et les poumons. De plus, ces composés chimiques sont générateurs du «smog» caractéristique des grandes agglomérations et peuvent causer de sérieux dommages écologiques par les pluies acides. C est donc le processus de création de la pollution photochimique qu il faut étudier : NO 2 - NO+ O 1. ( avec UV) O +O 2 - O 3 2. NO + O3 - NO 2 + O CH +NO 2 - PAN 4. ( avec UV) NO 2 + H 2 O - H 2 NO 3 5. Il est à noter que dans le cas où il existe une présence d hydrocarbures dans l air, il est généré des radicaux péroxy R-O-O qui réagissent avec NO : NO + R-O-O - NO 2 + RO 6. Cependant, la réaction 6. étant plus rapide que la réaction 3. l ozone n est plus consommé et s accumule avec les conséquences qui y sont attachées. Les quantités de NOx et de HC nous permettent donc de savoir quelles mesures prendre. Dans les zones urbaines, il faut diminuer le taux de NOx et de -CH car on a une concentration des deux gaz au même endroit. Le déplacement des émissions de NOx et de HC vers des centrales distantes des villes apporte donc une nette diminution de la création d ozone. Le «timing» est lui aussi très important car si l on se dirige vers une recharge principalement nocturne des VE, On aura un dispersion plus grande et donc une diminution de la création d ozone car alors on aura des émissions de gaz qui auront le temps de se dissiper avant que le soleil ne puisse provoquer la création d ozone. Photographie de Paris dans un smog 1.3.B. POLLUTION SONORE : Le premier sentiment que l on ressent quand on tourne la clef d un moteur d un VE est une crainte que le moteur n aie pas démarré, sentiment vite disparu lorsque l on appuie sur l accélérateur. En effet, il est difficile d imaginer que le moteur puisse fournir son énergie presque sans entendre un seul bruit mécanique. Après avoir conduit quelques temps un de ces véhicules, on a difficile de revenir vers un véhicule thermique classique qui désormais semble très bruyant. Cette caractéristique est très importante quand on sait que la pollution par le bruit est très intense dans les régions urbaines. Lors d études menées sur le sujet, on a constaté que les véhicules roulant provoquent deux types de bruits ; les bruits mécaniques et les bruits de roulage. Les bruits mécaniques sont dus au moteur à explosion qui malgré un progrès dans l insonorisation, provoque tout de même un bruit non-négligeable à l intérieur et à l extérieur du véhicule. Les bruits de roulage sont inévitables et sont dus au contact entre les pneus et la route. En-dessous de 90 km/h, les bruits mécaniques sont les plus importants. Les VE, étant donné que leur utilisation est principalement urbaine, diminuent donc de façon significative le bruit du trafic routier dans les villes. 1.4. PLACE DANS LE RÉSEAU ELECTRIQUE : Le diagramme de charge du réseau est bien connu, il a la forme suivante : Fig.9 diagramme de charge Sachant que les groupes de production d électricité ayant les meilleurs rendements (coûts) sont ceux qui ont une période de lancement plus longue, on sait que le fond énergétique est assuré par les grands groupes (nucléaire, hydraulique) et que les fluctuations sont suivies par des groupes thermiques à rendement nettement inférieur. Afin de réduire cet aspect, on utilise des centrales de pompage (comme à Coo) qui permettent de prendre de l énergie quand elle est disponible et de la rendre lorsqu on en a besoin pour «lisser» les pics de demandes de puissance. Une utilisation plus importante des VE permettrait de réguler ce diagramme. En effet, les VE étant rechargés principalement pendant la nuit, c est à ce moment que la production est la plus basse. C est grâce à ce principe que l on sait que la mise en service de 1 million de VE en Belgique (ce qui est une vue extrêmement optimiste) n aurait besoin que d une augmentation de production de 1%. De plus, des études sont en cours pour déterminer des systèmes de communication bidirectionnelle entre les producteurs et les utilisateurs (plus spécialement les rechargeurs) pour pouvoir gérer cette production en fonction des demandes et disponibilités. A titre in
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