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BATTERIES DACCUMULATEURS POUR VHICULES LECTRIQUES

Professeur Christian GLAIZE

Universit Montpellier 2 (UM2) Institut d'lectronique du Sud (IES) Groupe nergie et Matriaux (GEM)

E-mail : [email protected]

CAF CLIMAT : Vhicules lectriques Agence Locale de lnergie - Montpellier - 13 septembre 2011


C. GLAIZE CAF CLIMAT : Vhicules lectriques - Agence Locale de lnergie de Montpellier - 13 septembre 2011 2/35

Court CV

Professeur l'Universit Montpellier II. Chercheur au sein du Groupe nergie et

Matriaux (GEM) de lInstitut dlectronique du Sud (IES).

1978 : Thse de Doctorat "tude de hacheurs rversibles entirement statiques.

Application l'alimentation d'un moteur de traction pour VE.

1993 : Laurat du prix ADER- LR (Association pour le Dveloppement de l'Enseignement

et de la Recherche - Languedoc-Roussillon) sur des chargeurs de batteries pour VE.

7 brevets sur les chargeurs de batteries pour vhicules lectriques

Plusieurs dizaines de publications sur les batteries et les chargeurs



1. Rle de la batterie

Stocker de lnergie lectrique

2. Comment ?

Par conversion rversible dnergie lectrique en nergie chimique

3. Pourquoi ?

Alimentation lectrique dun dispositif non reli au rseau de distribution lectrique

fin dautonomie nergtique



4. Grandes catgories dusage

Cyclage : la batterie subit des dcharges plus ou moins profondes.

Elle est charge par le rseau de distribution lectrique (ou des panneaux solaires) et

permet de fournir de lnergie lectrique en utilisation nomade ou, pour le

photovoltaque, en absence de soleil.

Exemples : tlphones et ordinateurs portables, vhicules lectriques (au sens large),

installations photovoltaques,

Floating : la batterie est maintenue ltat charge pour tre prte fournir de lnergie

en cas de dfaillance de lalimentation principale.

Exemple : onduleur de secours pour informatique

Dmarrage : la batterie sert au dmarrage dun moteur thermique par exemple

automobile, lalimentation de diffrents auxiliaires (phares, clignotants, autoradio,).

Elle rgule la tension de bord. Elle est charge par lalternateur. Elle est quasiment tout le

temps compltement charge.



Vhicules lectriques hybrides : la batterie fournit des pointes de puissance en

complment du moteur thermique.

Elle peut aussi faire rouler le vhicule en mode lectrique pur.

Elle est recharge par le moteur thermique ou au freinage par le moteur lectrique

fonctionnant en alternateur.

Son tat de charge reste le plus souvent autour de 50 %.



5. Sigles utiliss

VE : Vhicule lectrique (voitures, bus, camions, chariots manutentions1, fauteuils pour

handicaps, voiturettes de golf,). La batterie est recharge par le rseau de distribution

lectrique (ou des panneaux solaires poste fixe).

VEH : Vhicule (voiture) lectrique hybride. La batterie ne peut tre recharge que de

manire interne au vhicule.

Prs de 20 modles diffrents disponibles en France. La plus connue : Toyota Prius.

Vhicule hybride rechargeable ou VEH plug-in (PVEH) : VEH pouvant tre

recharg par le rseau de distribution lectrique (ou des panneaux solaires). Autonomie

en lectrique pur rduite (20 50 km). Encore aucune offre commerciale en France.

Plusieurs prototypes. Batteries Lithium-ion (Phosphate de fer ?). Plusieurs offres prvues

fin 2011 et 2012.

1 March important qui a permis le dveloppement dune industrie de la batterie de cyclage.



6. Deux approches diffrentes

Vhicules moteur thermique -> Vhicules moteur lectrique

Vhicules moteur thermique -> VEH -> VEH plug-in -> VE pur



7. Les diffrents types de stockage possibles sur un VE

Batteries lectrochimiques Transformation nergie lectrique

Piles combustibles nergie chimique

Volant dinertie Transformation nergie lectrique

Air comprim nergie mcanique



8. Terminologie : Accumulateur, lment, Batterie, Monobloc, Pack, BMS.

L'accumulateur accumule l'nergie lectrique sous forme d'nergie chimique.

L'lment de base est form d'une association de

deux lectrodes (une positive et une ngative) places dans un lectrolyte.

Un lment fournit une tension nominale de l'ordre du volt :

1,2 V pour un lment NiCd ou NiMH,

2 V pour un lment au plomb,

3,6 3,8 V pour les lments au lithium (LiCoO2 / C) utiliss sur les appareils nomades

mais seulement 1,8 V pour les lments LiFePO4 plus adapts aux vhicules lectriques.

Pour obtenir des tensions plus leves, on associe en srie des lments.

C'est une batterie d'accumulateurs :

une batterie est une association de plusieurs lments d'accumulateurs.



Un accumulateur est disponible

- soit sous forme d'lment simple

- soit sous forme d'association (indissociable) de quelques lments

(le plus souvent 3 ou 6 pour du plomb ; 5 pour du Ni)

dans un mme bac appele monobloc.

Une association de plusieurs lments ou de monoblocs est un

pack batterie ou un pack nergie

qui contient souvent aussi un BMS : Battery Management System

ou Systme de Gestion de Batterie

(jauge d'autonomie et d'tat de sant, quilibreur,).

Indispensable sur batteries au lithium.



On appelle matire active (MA) les produits chimiques transforms lors des ractions de

charge et de dcharge.

Par exemple, plomb, oxyde de plomb et acide sulfurique dans un accumulateur au plomb.

Dans les autres accumulateurs (NiCd, NiMH, Li), MA : lectrodes seulement.

Il y a aussi et ncessairement de la matire inactive : contenant, connexions, sparateurs,

surplus dlectrolyte.

Les performances dune batterie sont infrieures celles dun lment seul.



Vocabulaire : une pile n'est habituellement pas recharge (rechargeable ?).

En anglais, le terme "battery" dsigne indiffremment une pile ou un accumulateur2.

Pour un accumulateur, on parle de "rechargeable battery" ou "storage battery".

On trouve aussi les vocables de :

primary battery pour une pile et secondary battery pour un accumulateur.

2 Cest peut-tre pour cela quon parle, tort, de batterie pour un tlphone portable.



9. Caractristiques d'un accumulateur

9.1. Tension nominale

Exprime en V

9.2. Capacit

Quantit d'lectricit (exprime en Ah) dlivre par un accumulateur au cours d'une

dcharge complte

9.3. Profondeur de dcharge (Depth of Discharge DOD)

Rapport entre la quantit d'lectricit dj extraite d'un accumulateur et sa capacit

9.4. tat de charge (State of Charge SOC)

SOC = 1 DOD : estimation (en pourcentage) de la quantit d'lectricit qui reste dans laccumulateur. Cest lquivalent de lindication donne par une jauge essence.



9.5. nergie massique (gravimetric energy density ou specific energy)

Rapport de l'nergie restituable un rgime donn sur la masse de l'accumulateur.

Unit : Wh/kg

Notion particulirement utile pour le dimensionnement d'une batterie dans les systmes embarqus

Autonomie et vitesse dsires => masse de batteries embarquer.

Intressante pour comparer, rgime de dcharge donn, diffrents dispositifs de stockage.

9.6. nergie volumique (specific energy)

Rapport de l'nergie restituable un rgime donn sur le volume de l'accumulateur.

Unit : Wh/L

Notion utile pour le dimensionnement d'une batterie stationnaire car, dans ces applications, le

volume est souvent plus important que la masse

Intressante pour comparer, rgime de dcharge donn, diffrents dispositifs de stockage.

9.7. Puissance massique et puissance volumique

Units : W/kg et W/L



10. Les diffrentes technologies daccumulateurs et utilisations

Lhistoire des batteries pour VE est, depuis plus dun sicle, source dincessants

rebondissements.

Rappel : La Jamais-Contente, premier vhicule automobile avoir franchi le cap des

100 km/h (1899), tait une voiture lectrique. Batteries au plomb Fulmen.

Combien de fois a-t-on entendu dire par un constructeur de voitures ou de batteries quil

avant enfin LA solution



Famille de batteries prsentes aujourdhui :

- Plomb

- Nickel

- Sodium-Soufre

- Lithium



10.1. Plomb/acide sulfurique (Pb)

Le plus ancien (Gaston Plant, 1859)

3 technologies :

Batteries ouvertes

Batteries sans entretien

Batteries recombinaison de gaz (improprement appeles tanches )

Peu coteux (70 400 /kWh)

mais nergie massique limite : typ. 25 40 Wh/kg (nergie massique thorique 167 Wh/kg)

Temprature de fonctionnement : - 20 ou - 15 C et + 50 60 C (extensible)

70 120 Wh/L

120 W/kg en application photovoltaque (tubulaires),

800 W/kg batterie de dmarrage automobile,

2000 W/kg (Orbital, lectrode enroule en spirale, AGM : Absorbed Glass Mat) : dmarrage de

moteurs difficiles, alimentation des auxiliaires sur bateaux, caravanes, camping-cars, vhicules de

secours et automobiles haut de gamme, sauvegardes de centraux tlphoniques ou de centres

informatiques, traction lectrique trs fortes contraintes en puissance crte et en cyclage (karts

lectriques, vhicules lectriques de loisirs,),



Dure de vie en cyclage (nombre de cycles charge/dcharge pour un lment) : 500/1500

Rendement nergtique d'un cycle charge/dcharge : 70/75 %

Autodcharge limite

Bon retour dexprience : on sait quelle technologie choisir pour chaque application

Laccumulateur au plomb le plus vendu.

Le cot ne peut gure descendre car process de fabrication matures.

Utilisation principale de lindustrie du plomb.

Le taux de recyclage du plomb lui-mme atteint pratiquement 100 % =>

accumulateur au plomb recycl3 non polluant pour lenvironnement malgr la haute toxicit du

plomb.

Risques d'accident : dgagement dhydrogne, court-circuit accidentel, acide sulfurique.

Seule batterie utilisable sur des VE dans les annes 70 (Renault 4L, Master,)

Encore utilise aujourdhui dans la plupart des petites voitures lectriques (vitesse

max. entre 45 et 70 km/h et autonomie de 50 100 km) commercialement disponibles.

3. Encore faut-il quil soit recycl et non pas abandonn dans une dcharge. Sans souci au niveau industriel mais quen est-il au niveau des particuliers Batteries usages rachetes par les professionnels du recyclage.



10.2. Accus au nickel

10.2.1. Nickel/cadmium/potasse (NiCd)

Invent en 1899

nergie massique meilleure que Pb : typ. 50 60 Wh/kg (nergie massique thorique de 244 Wh/kg)

110 W/kg

mais d'un cot beaucoup plus lev ( cause du Ni et du Cd)

fort effet mmoire (c'est la seule technologie qui aurait un effet mmoire).

Temprature de fonctionnement : -30 + 40 C

Nombre de cycles (pour un lment) : 1000/2000

Longue dure de vie calendaire, mme en conditions difficiles

Rendement nergtique de charge/dcharge : 60/75 %

Autodcharge limite

Faible maintenance (tanche)

Profondeur de dcharge importante possible



Prsence cadmium => vente interdite au grand public4 mais utilisation encore possible un usage

industriel ou professionnel car systmes performants de collecte et de recyclage en fin de vie ce qui

permet dviter dissmination dans des dcharges ou des incinrateurs.

Position largement dominante dans le pass pour applications demandant forte puissance, masse

non prohibitive requises : appareils lectroniques, outillage lectroportatif, modlisme, clairage de

secours,

Technologie nickel-cadmium (NiCd) maintenant remplace par dautres technologies :

NiMH (mme tension) et lithium-ion.

A t utilis sur des VE dans les annes 90 : Par exemple : Peugeot 106 et Citron Saxo

Autonomie en cycle normalis 100 km ; Vitesse maximale 90 km/h Temps de charge 6-8 h (recharge normale) / 45 mn (recharge rapide)

4. cause du comportement sociologique de recyclage insuffisant des petits accumulateurs dans le grand public.



10.2.2. Nickel Mtal Hydrure (NiMH)

On devrait dire nickel-hydrure mtallique mais on a lhabitude de dnommer cette technologie

Nickel Mtal Hydrure pour se rapprocher de lacronyme NiMH qui vient de langlais nickel-metal

hydride. Un hydrure mtallique est un compos permettant de stocker de lhydrogne.

nergie massique meilleure que Pb et NiCd : typ. 70 et 120 Wh/kg (nergie massique thorique

278 Wh/kg)

nergie volumique pratique entre moins de 100 et plus de 400 Wh/L.

Introduite en 1975. Dveloppe pour remplacer llectrode au cadmium trs toxique des NiCd.

Commercialise en 1990.

Occupe (occupait) un crneau notable pour les applications o lnergie volumique (/Pb)

et le prix (/Li) sont des arguments importants.

Applications aux premiers tlphones cellulaires hors Japon.

Aujourdhui, type pile rechargeable AAA, AA, principalement parce que tension suffisamment

proche de celle des piles quils remplacent (1,2 V au lieu de 1,5 V)

et parce que recharge beaucoup moins dlicate que celle des Li-ion.

Fonctionnement sr (/Li).

VEH : Toyota Prius (gnrations I IV), Lexus,



10.2.3. NiFe

Dveloppe en 1901 par Edison pour propulser son vhicule lectrique : la Bailey Electric.

Cette voiture de 900 kg avait une autonomie de 160 km.

Les accumulateurs NiFe ont ensuite et surtout t utiliss pour lclairage et la traction dans les

mines et pour la propulsion dans les sous-marins.

nergie massique thorique 265 Wh/kg. Entre NiCd (244 Wh/kg) et NiMH (278 Wh/kg).

Lnergie massique pratique : 20 30 Wh/kg pour les lectrodes tubulaires en pochette et

atteint 40 60 Wh/kg pour les lectrodes frittes ou fibreuses

Trs longue dure de vie (3000 cycles ; 30 ans et plus)

Autodcharge plus rapide que pour NiCd et NiMH

Simple fabriquer. Peu onreuse.

Pas de constituants polluants ou toxiques (plomb, lithium, cadmium, solvants,...) ou difficiles

recycler.



Accumulateurs NiFe : alternative intressante au NiCd puisque cadmium remplac par du fer, bien

moins coteux.

Cependant, technologie dlaisse car faible rendement de charge d un fort dgagement gazeux, en

particulier dhydrogne pouvant amener un risque important dinflammation ou dexplosion. Cela a

aussi empch de dvelopper des lments tanches. Pour pallier cette limitation, des propositions

ont cependant t effectus pour recombiner par catalyse loxygne et lhydrogne dgags.

Cependant, force est de constater que malgr de nombreux essais, ce type daccumulateur na pas

trouv de domaines dapplications suffisamment importants pour tre commercialement dvelopps

grande chelle.



10.2.4. NiZn

Au premier abord, laccumulateur NiZn prsente un intrt indniable / NiCd grce son lectrode

ngative en zinc, mtal abondant, peu coteux, non toxique et facilement recyclable.

Tension dun lment 1,6 V (/ 1,2 V NiCd et NiMH).

Performances suprieures au NiCd et au NiMH et cot potentiellement infrieur.

Cependant ralisations commerciales encore rares car croissances dendritiques => tenue en cyclage

longtemps t trs faible. Recherches en cours. Protos pour VE et VEH en cours de tests.

Si dure de vie suffisante : tension, trs faible autodcharge, gamme de temprature -20 +60C,



10.3. Accus Sodium-soufre et Zebra

10.3.1. NaS

Dans le fonctionnement d'un grand nombre daccumulateurs, la matire active n'occupe pas le mme

volume suivant l'tat de charge.

Charges et dcharges successives imposent contraintes mcaniques aux lectrodes, une des causes de

vieillissement de l'lment.

Avec des lectrodes liquides, ce problme disparait.

lectrode positive en soufre, lectrode ngative en sodium, sparateur cramique en alumine.

Fonctionnement haute temprature (300 400C). Insensible la temprature ambiante.

Obligation de dpenser de lnergie pour laisser la batterie chaude au repos.

Plusieurs heures pour la remonter en temprature.

Nb de cycle chaud/froid limit quelques dizaines.

nergie spcifique thorique : 755 Wh/kg. Densit dnergie 3 et 5 fois plus forte que la batterie Pb.

Rendement : ~75%.

Longue dure de vie : 15 ans et 2500 cycles de 100% DOD, ou 4500 de 90% DOD, ou 6500 de 65%

DOD.

Puissance crte pnalise par la conductivit rduite de llectrolyte cramique.



Scurit confirm par les tests de scurit.

Pas dmission de gaz, silencieux.

Le sodium est trs abondant sur Terre, particulirement sous la forme NaCl. Le soufre est aussi trs

abondant sur la Terre.

Recyclage facile.

En Europe : dbut du dveloppement (1972, BBC) ; arrt du dveloppement (1996, ABB)

Prototypes : BMW E2, Ford Ghia Connecta, Volkswagen Chico

http://www.cite-sciences.fr/derosnay/articles/chroniques/batsoufre.htm :

Environnement - Octobre 1992

Le consortium Asea Brown Boveri (ABB) alli au britannique Britain's Chloride vient d'ouvrir des units de production

capables de faire face l'importante demande attendue pour ce type de batterie. Dans trois ans l'usine ABB de Heidelberg en

Allemagne sera en mesure de produire 100.000 packs de batteries par an. La bataille sodium-soufre contre nickel-cadmium ne

fait que commencer !

Aujourdhui seul constructeur : NGK (Japon). Dbouchs essentiels : stockage sur le rseau.



10.3.2. ZEBRA

Variante de la NaS invente en 1985 par le groupe ZEolite applied to Battery Research Africa dirig

par Johan Coetzer Pretoria, Afrique du Sud.

Aussi connue sous le nom Zero Emission Batteries Research Activity.

Spcifiquement mise au point par les applications VE, transport lourd et transport public.

nergie massique : 80 120 Wh/kg

Dure de vie : 1500 cycles.

Cyclage thermique permis. Contrainte de temps pour rchauffer une batterie dcharge et froide

(plusieurs heures jours). On vitera donc de la laisser se refroidir.

Rserves et production annuelle importantes des constituants de base. Bien suprieures au lithium.

Monte, entre autres, sur la Fiat Palio pour le march brsilien : Autonomie en cycle normalis 120 km ; Vitesse maximale 105 km/h



10.4. Accus au lithium

Recherches sur gnrateurs lectrochimiques utilisant du lithium dbutent dans les annes 60.

Piles commercialises dans les annes 70

Sony Energitech (Japon) a dvelopp puis commercialis en 1991 la technologie quil a dnomm

lithium-ion (Li-ion) pour rpondre des applications o les nergies volumique et surtout massique

sont des critres prpondrants.

2 grandes familles daccumulateurs au lithium :

- lithium-ion

- lithium mtal polymre



10.4.1. Li-ion

Les ions lithium sont changs par des mcanismes dinsertion-dsinsertion dune lectrode lautre.

Non lis un couple lectrochimique bien dfini. Tout matriau pouvant accueillir de manire

rversible des ions lithium peut tre la base dun accumulateur lithium-ion.

=> Il existe un trs grand nombre de matriaux dlectrodes avec pour chacune des proprits

diffrentes en matire dnergies massique et volumique, de tension nominale, de dure de vie de

scurit, de cot,

Le premier matriau a avoir t utilis et encore aujourdhui le plus courant, est loxyde de cobalt

lithi (LCO). Capacit massique thorique de lordre de 137 mAh/g.

Le cobalt est, cause de rserves mondiales limites et de son caractre stratgique, trs coteux.

Il est par ailleurs toxique.

Co replac en partie par Ni, Mn, Al.

Autre voie : oxyde de manganse (148 mAh/g). Mthodes de recyclage bien connues car loxyde de

manganse galement utilis dans les piles.



Bonne dure de vie, tension/lment leve (3,6 V) => meilleure nergie massique que Pb, Ni

mais problmes de scurit dans grosses units.

=> Oxyphosphate de fer lithi (LiFePO4). nergie massique plus faible mais bien meilleure scurit.

Pour ces technologies, lautre lectrode est en graphite (carbone). Futur : titanate de lithium ?

nergie massique : 150 et 200 Wh/kg.

10.4.2. Lithium mtal polymre ( ne pas confondre avec la lithium polymre LiPo qui est une Li-ion)

Introduite ds 1973 (donc avant Li-ion).

lectrode ngative constitue par une feuille de lithium mtallique

intressant pour mallabilit, bonne conductivit lectrique,

lectrolyte est un film polymre (Michel B. Armand, 1978)

ncessitant une temprature de fonctionnement de lordre de 60 90C,

lectrode positive un matriau dinsertion.

Repris par Bollor (dfi technologique) pour la Batscap devant quiper la Blue Car

Autolib en dcembre 2011 ?



10.4.3.Le futur : lithium air ?

lectrode positive air utilisant loxygne de lair (dont les rserves sont illimites)

lectrode ngative mtallique. Par exemple lithium.

On annonce souvent des valeurs dnergie massique de plusieurs milliers de Wh/kg voire dpassant

10000 Wh/kg. Mais cest en ne tenant compte que dune partie de la matire active. Si on prend en

compte les collecteurs de courant, llectrolyte, les sparateurs, les amenes doxygne, le botier, la

ralit se situe plutt vers quelques centaines de Wh/kg. Donc suprieure celles des technologies au

lithium conventionnelles.

Cependant, puissances spcifiques faibles car apport doxygne limit => courants faibles pendant de

longues dures => associations avec supercapacits pour rpondre aux besoins de puissance.

10.4.4.Le futur : lithium soufre ?

Donne pour 350 Wh/kg.



11. Les difficults de la voiture purement lectrique

11.1. Masse des batteries

nergie massique des batteries sans commune mesure avec nergie massique du SP (10 000 Wh/kg).

60 litres (45 kg) de SP98, cest 450 000 Wh

La mme quantit dnergie en Li-ion demande 450 000 / 150 = 3 tonnes !!!

Heureusement quun moteur lectrique a un bien meilleur rendement quun moteur thermique,

quil ne consomme pas larrt,

que lon peut rcuprer lnergie de freinage.



11.2. Vitesse de charge de la batterie

Une pompe essence dbite 30 litres de SP98 (masse volumique 750 kg/m3) par minute => on fait

le plein en 2 min.

Cela correspond une "puissance" de 13,5 MW ! Lalimentation lectrique de 1000 maisons !

=> intrt aujourdhui du VEH

Charge rapide (donc partielle) mais forte puissance appele au rseau.

Changement de batteries (comme les chevaux de poste). Demande infrastructure lourde et

normalisation des packs batterie.

Difficile de croire quune batterie de VE puisse tre entirement charge avec des cellules solaires sur

le toit.

11.3. Chauffage de lhabitacle

=> intrt aujourdhui du VEH



12. Les cts des batteries de voitures lectriques

Aide aux rseaux de distribution lectrique

Rutilisation des batteries de VE en utilisation photovoltaque (injection avec stockage).



13. Conclusions

Le VEH, cest dj OK (et encore amliorable)

Pour le VE pur, on na pas encore trouv la batterie idale : peu chre, lgre, sre, possdant un bon

rendement, utilisant des matriaux abondants, recyclable, non polluante,

Ayons espoir

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