[PDF] Contribution à lévaluation du vieillissement des batteries de

View - Download Contribution à lévaluation du vieillissement des batteries de

Previous PDF

Next PDF

INSTITUT POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE

N?attribu´e par la biblioth`eque

lllllllllll

TH`ESE

pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L"Institut Polytechnique de Grenoble

Sp´ecialit´e :2MGE -´Electrochimie

pr´epar´ee au laboratoire Transport et Environnement de l"Institut National de Recherche sur les Transports et leur S´ecurit´e

dans le cadre del"´Ecole Doctorale Ing´enierie - Mat´eriaux M´ecanique´Energ´etique Environnement Proc´ed´es Production

pr´esent´ee et soutenue publiquement par

Maxime MONTARU

Le 06 / 07 / 2009

Contribution `a l"´evaluation du vieillissement des batteries depuissance utilis´ees dans les v´ehicules hybridesselon leurs usages

CO-DIRECTEURS DE TH

`ESE : Jean-Paul DIARD, Serge P´ELISSIER et

Fran¸cois BADIN

JURY

Jean-Pierre PETITPr´esident

Marie-C´ecile P

´ERARapporteur

Guy FRIEDRICHRapporteur

Jean-Paul DIARD Co-directeur de th`ese

Serge P´ELISSIER Co-directeur de th`ese

Fran¸cois BADIN Co-directeur de th`ese

Anna TEYSSOT´Examinatrice

St´ephane BISCAGLIA

´Examinateur

ii iii

Les ´etudes pr´esent´ees dans ce m´emoire de th`ese ont ´et´e r´ealis´ees au Laboratoire Transport

et Environnement (LTE) de l"Institut National de Recherche sur les Transports et leur S´ecurit´e

(INRETS) :

INRETS LTE

25, Avenue F. Mitterand

Case 24

69675 BRON

Ce travail a ´et´e cofinanc´e par l"Institut National de Recherche sur les Transports et leur S´e-

curit´e (INRETS) et par l"Agence pour l"Environnement et la Maˆıtrise de l"Energie (ADEME).

L"´ecole doctorale de rattachement est l"Ecole doctorale I-MEP2 (Ing´enierie - Mat´eriaux,M´e-

canique, Environnement, Energ´etique, Proc´ed´es, Production) de l"Institut National Polytech-

nique de Grenoble. iv v

L"homme raisonnable s"adapte au monde;

l"homme d´eraisonnable s"obstine `a essayer d"adapter le monde `a lui-mˆeme. Tout progr`es d´epend donc de l"homme d´eraisonnable.

George Bernard Shaw

Extrait deMaximes pour r´evolutionnaires

vi

Remerciements

Ce travail a ´et´e effectu´e dans l"´equipe V´ehicules Hybrides au Laboratoire Transport et

Environnement de l"Institut National de la Recherche sur les Transports et leur S´ecurit´e grˆace

`a Fran¸cois BADIN que je tiens `a remercier pour m"avoir permis de r´ealiser cette th`ese et de

m"avoir orienter vers la th´ematique de l"´etude du vieillissement des batteries depuissance utilis´ees dans les v´ehicules hybrides. Je remercie Jean-Paul DIARD, Professeur de l"Institut National Polytechnique de Gre- noble, qui, en tant que directeur de th`ese, a su m"orienter vers des pistes de recherche novatrices

et ainsi m"ouvrir `a d"autres perspectives. J"ai notamment appr´eci´e d"avoir eu, tout au long de

cette th`ese, ses conseils de grande rigueur scientifique et litt´eraire.

Je remercie ´egalement Serge P

´ELISSIER pour m"avoir permis de terminer cette th`ese dans de bonnes conditions, aussi bien mat´eriellement que scientifiquement. Sa grande qualit´e

d"´ecoute et de synth`ese m"ont ´enorm´ement apport´e pour la r´esolution de probl`ematiques et

la r´edaction de ce m´emoire. Je tiens `a remercier particuli`erement les rapporteurs de cette th`ese, Guy FRIEDRICH,

Professeur `a l"Universit´e de Technologie de Compi`egne, et Marie-C´ecile P´ERA, Professeur de

l"Universit´e de Belfort, qui ont eu la lourde de tˆache de lire l"ensemble du manuscrit. Leurs

remarques perspicaces m"ont permise d"appr´ehender les points forts et les points faibles de mon travail. Je remercie St´ephane BISCAGLIA, Ing´enieur de l"Agence de l"Environnement et de

la Maˆıtrise de l"´Energie qui a cru en ce projet de th`ese et permis le co-financement avec

l"INRETS. Je remercie Anna TEYSSOT, Ing´enieur de Renault, pour avoir accept´e de faire partie du jury, et pour ses remarques tr`es pertinentes et tr`es d´etaill´ees sur le manuscrit. Je remercie Jean-Pierre PETIT, Professeur de l"Institut National Polytechnique de Gre-

noble et directeur de l"´Ecole Nationale Sup´erieure d"´Electrochimie et d"´Electrom´etallurgie de

Grenoble, d"avoir pr´esid´e la soutenance de th`ese. De mani`ere plus personnelle, je remercie chaleureusement Julien SCORDIA, Ing´enieur d"Imagine, et Bruno JEANNERET, Ing´enieur de l"INRETS, avec qui j"ai travaill´e tout au long de cette th`ese et j"ai pu ´echanger de nombreuses fois sur la linuxophilie. Je remercie ´egalement Rochdi TRIGUI qui dirige maintenant l"´equipe V´ehicules Hybrides ainsi que tout les autres membres de l"´equipe pr´esents lors de la th`ese : Souad KERMANI, Majed BOU- JELBEN, Bertrand MALAQUIN, St´ephane ARDIZZONE, St´ephane OLIVIER, Jean-Pierre ROUMEGOUX, Emmanuel VINOT et Fabien HAREL. Je tiens `a saluer les membres de l"´equipe Pollution de l"Air du LTE, Pascal PERRET et Patrick TASSEL, et particuli`erement vii

viiiMichel ANDRE et Didier PILLOT pour leurs ´echanges sur la probl´ematique de la pollutiondue au transport. Je salue aussi pour leur agr´eable compagnie, L´ea SIRE, Laure BARTHE-LEMY, Am´elie GRICHI, Roger CHATAGNON, Philippe KLEIN, Marie-Agn`es PALLAS etAur´elie CHARRON.

Je tiens aussi `a saluer les personnes qui, durant cette p´eriode, m"ont permises de m"´echapper de la th`ese. Un gros Yo! aux amis alsaciens Steph, Lolo (Rrrruche!) et David; et

un grand Y´e! aux amis de Lyon, Babapt, Manu, Xavier et Mathilde, J´e et B´en´e. Immanqua-

blement, je remercie mes parents, G´e et Chacha pour leur soutien. Une chaleureuse pens´ee `a ma tendre et ch`ere, Nolwenn, pour m"avoir soutenu et pour avoir donner naissance `a notre enfant Ewen.

Table des Mati`eres

Introduction1

I Contexte et probl´ematique5

1 L"hybridation : vers une r´eduction des ´emissions de CO

2du transport routier 7

1.1 La pollution due aux transports routiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.1.1 Les polluants atmosph´eriques et leur sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.1.1.1 La pollution locale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.1.1.2 Les Gaz `a Effet de Serre (GES) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.1.1.3 Les sources des ´emissions dans le monde . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.1.1.4 Les sources des ´emissions en France . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.1.2 Les transports routiers : premier ´emetteur de GES en France . . . . . . . . . . 10

1.1.2.1 Le bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.1.2.2 L"´evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.1.3´Evaluation des ´emissions unitaires de polluants d"un v´ehicule . . . . . . . . . . 141.1.3.1 Proc´edures d"essai pour l"homologation des v´ehicules . . . . . . . . . 141.1.3.2 Limites du cycle d"´evaluation europ´een . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.2 Int´erˆet de l"hybridation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 15

1.2.1 L"hybridation entre le v´ehicule ´electrique et le v´ehicule thermique . . . . . .. . 15

1.2.1.1 Principe de l"hybridation ´electrique des v´ehicules . . . . . . . . . . . . 15

1.2.1.2 Des nouvelles fonctionnalit´es dans le v´ehicule . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2.1.3 Proposition de classification des v´ehicules hybrides . . . . . . . . . . . 17

1.2.2 Description des chaˆınes de traction hybride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.2.2.1 Les composants du v´ehicule hybride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.2.2.2 La probl´ematique de la gestion d"´energie . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.2.3 Les v´ehicules hybrides au banc d"essai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.2.3.1 M´ethode d"´evaluation des consommations sur banc `a rouleau . . . . . 23

1.2.3.2 Gains en consommation et en ´emissions de CO

2. . . . . . . . . . . . 24

1.2.3.3 Les limites de l"hybridation et ses points faibles . . . . . . . . . . . . 26

2 La batterie de puissance : un ´el´ement sensible de l"hybridation 27

2.1 Un ´el´ement de stockage d"´energie ´electrochimique . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 27

2.1.1 Pr´esentation des batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.1.1.1 Rappel du principe de fonctionnement d"une batterie . . . . . . . . . 27

2.1.1.2 Les deux technologies pr´esenties pour les v´ehicules hybrides . . . . . . 29

2.1.2 D´efinitions des grandeurs caract´eristiques des batteries . . . . . . . . . . . . . 33

2.1.2.1 Les capacit´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.1.2.2 Le rendement faradique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.1.2.3 L"autod´echarge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.1.2.4 La tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.1.2.5 Les puissances et ´energies disponibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

ix xTABLE DES MATI`ERES

2.1.2.6 Le rendement ´energ´etique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.1.2.7 La capacit´e de recharge rapide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.1.2.8 La dur´ee de vie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.1.2.9 Le coˆut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.1.2.10 La s´ecurit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.1.3 Introduction aux indices d"´etats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.1.3.1 L"´etat de charge (SOC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.1.3.2 L"´etat de sant´e (SOH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.1.3.3 L"´etat de fonction (SOF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.2 Adaptation des batteries `a l"application hybride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.2.1 Cahier des charges de la batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.2.2 Batteries de puissancevs.batteries d"´energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.2.2.1 Des conceptions diff´erentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.2.2.2 Des performances diff´erentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.2.3 R´ealisation de packs batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.2.3.1 Assemblage des ´el´ements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.2.3.2 Gestion de l"´etat de charge dans un pack . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.2.3.3 Gestion de la thermique d"un pack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.3 Estimation de la dur´ee de vie d"une batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54

2.3.1 Les ph´enom`enes de vieillissement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2.3.1.1 Les causes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2.3.1.2 Les effets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.3.1.3 Les facteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.3.2 Mod´elisation du vieillissement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

2.3.2.1 Mod`ele de vieillissement par comptage d"´ev`enements . . . . . . . . . . 62

2.3.2.2 Mod´elisation du vieillissement par mod`ele de performances . . . . . . 64

2.3.3 Les tests de vieillissement acc´el´er´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 67

2.3.3.1 Diff´erentes approches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.3.3.2 Processus d"´elaboration des tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.3.3.3 Tests de vieillissement calendaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

2.3.3.4 Tests de vieillissement en cyclage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

2.3.3.5 Adaptation des tests de performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

2.3.3.6 Crit`ere de fin de vie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

2.4 Objectifs de l"´etude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 76

II Mod´elisation des batteries de puissance 77

3 Avant-propos81

3.1 L"utilit´e de la mod´elisation des batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 81

3.2 Principe de la mod´elisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 81

3.3 Les diff´erentes approches de la mod´elisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 82

4 Th´eorie des circuits ´electriques ´equivalents85

4.1 Des mod`eles de connaissance aux mod`eles de repr´esentation . . . . . . . . . . . . . . .85

4.1.1 Le circuit de Randles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.1.2 Non-lin´earit´e du syst`eme ´electrochimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86

4.1.3 Simplification de l"imp´edance faradique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

4.1.4 Imp´edances de diffusion etConstant Phase Element(CPE) . . . . . . . . . . . 88

4.2 Applications aux batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

4.2.1 Structure du circuit ´equivalent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

4.2.2 Prise en compte de la non-lin´earit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

4.2.3 Prise en compte du rendement faradique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

4.2.4 Prise en compte de l"hyst´er´esis de la tension `a vide . . . . . . . . . . . . . . . .92

TABLE DES MATI`ERESxi

5 M´ethodes de simulation93

5.1 R´esolution par transform´ee de Laplace inverse num´erique . . . . . . . . . . . . . . . .93

5.1.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

5.1.2 Description de l"algorithme de Gaver-Stehfest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

5.1.3 Description de l"algorithme de De Hoog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

5.2 Approximation de l"imp´edance par superposition de fonctions de transfert du premier

ordre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

5.2.1 Remarques pr´el´eminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

5.2.1.1 Structure de Foster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

5.2.1.2 Structure de Cauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

5.2.2 Approximation de l"imp´edance de Warburg ou d"un CPE . . . . . . . . . . . . 96

5.2.2.1 Principe de l"approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

5.2.2.2 Relation entre les param`etres du CPE et de l"approximation . . . . . 97

5.2.2.3 Reformulation de l"approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

5.3 Comparaison th´eorique des m´ethodes de r´esolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

5.3.1´Etude d"un circuit R+R//C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

5.3.2´Etude d"un circuit R+R//C+CPE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

5.3.3 Synth`ese de la comparaison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

6 M´ethodes d"identification107

6.1 Mesures de la capacit´e de stockage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

6.2 Identification du rendement faradique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

6.3 Mesures de la tension `a vide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 108

6.4 Identification de l"imp´edance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

6.4.1 Analyse temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

6.4.1.1 Protocole exp´erimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

6.4.1.2 Crit`ere d"optimisation et algorithme de minimisation . . . . . . . . . 110

6.4.1.3 Incertitudes sur les param`etres identifi´es . . . . . . . . . . . . . . . . 111

6.4.1.4 Limites de l"approche temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

6.4.2 Analyse fr´equentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

6.4.2.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

6.4.2.2 Protocole exp´erimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

6.4.2.3 Crit`ere d"optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

6.4.2.4 Incertitudes sur les param`etres identifi´es . . . . . . . . . . . . . . . . 115

6.4.2.5 Limites de l"approche fr´equentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

6.4.3 Combinaison des deux m´ethodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

6.4.3.1 Protocole exp´erimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

6.4.3.2 Incertitudes sur les param`etres identifi´es . . . . . . . . . . . . . . . . 119

7 R´esultats d"identification121

7.1 Mat´eriels & ´el´ements test´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 121

7.1.1 Bancs d"essais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

7.1.1.1 Bancs de puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

7.1.1.2 Imp´edancem`etre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

7.1.2 Batteries test´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

7.2 R´esultats d"identification des batteries Li-ion Kokam . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 122

7.2.1 Mesures des capacit´es disponibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

7.2.2 Tension `a vide en fonction de l"´etat de charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124

7.2.3 Identification de l"imp´edance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

7.2.4 Validation du mod`ele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

7.3 R´esultats d"identification de la batterie NiMH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 130

7.3.1 Mesures des capacit´es disponibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

7.3.2 Rendement faradique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

7.3.3 Tension `a vide en fonction de l"´etat de charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131

7.3.4 Identification de l"imp´edance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

7.3.5 Validation du mod`ele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

xiiTABLE DES MATI`ERES

8 Discussion137

8.1´Evolution des param`etres du mod`eles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 137

8.1.1 La tension `a videOCV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

8.1.2 L"inductanceLet la r´esistanceR

1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

8.1.3 La r´esistanceR

2et la constante de tempsτ2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

8.1.4 Le CPEZ

c,3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

8.1.5 Indices pertinents pour la d´etection de l"´etat de charge . . . . . . . . . . . .. . 141

8.2 Calcul des grandeurs de dimensionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

8.2.1 Puissances et ´energies disponibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

8.2.1.1 Diagrammes de Ragone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

8.2.1.2 Diagrammes des puissances disponibles en fonction de l"´etat de charge 144

8.2.2 Acceptabilit´e de la recharche rapide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

8.2.3 Apport de la compl´exit´e du mod`ele pour la simulation dans une architecturede

v´ehicule ´electrifi´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

8.3 Limites de la m´ethode et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149

III Analyse de l"usage en vue de l"´elaboration de tests de vieillissement acc´el´er´e151

9 Analyse d"usages et cycles de conduite155

9.1 Statistiques sur les usages des v´ehicules particuliers . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 155

9.1.1 Distances journali`eres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

9.1.2 Dur´ee des trajets et influence sur la consommation . . . . . . . . . . . . . . . . 156

9.2 M´ethodes de cr´eation des cycles de conduite repr´esentatifs de l"usage . . . . . . . . . . 157

9.2.1 M´ethodes bas´ees sur l"´etude de profils cin´ematiques . . . . . . . . . . . . . . .157

9.2.2 M´ethode bas´ee sur l"´etude de profils dynamiques . . . . . . . . . . . . . . .. . 158

9.3 Limites des cycles de conduite pour l"´etude des flux ´energ´etiques . . . . . . .. . . . . 159

10 M´ethode d"analyse des sollicitations ´electriques161

10.1 D´emarche de l"´etude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161

10.1.1 Objectifs de l"analyse pour l"´elaboration de cycles de vieillissement . . . .. . . 161

10.1.2´Etapes de l"analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

10.2 L"impulsion de courant : un ´el´ement caract´eristique du profil de sollicitation . . . . . . 162

10.2.1 D´efinition des impulsions de courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

10.2.2 Grandeurs caract´eristiques des impulsions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

10.3 Classification des impulsions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

10.3.1 Cr´eation des matrices individus-variables : le tableau des donn´ees . . . . . . . . 164

10.3.2 Distances entre individus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

10.3.3 M´ethode de classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

10.4´El´ements repr´esentatifs des classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 166

10.4.1 Centres de la classe d"impulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

10.4.2 Profils enveloppes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

10.4.3 Comparaison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

11 Analyse de l"utilisation de la batterie de la Prius 2 169

11.1 Pr´esentation et analyse macroscopique de la base de donn´ees . . . . . . . . . . . . . . 169

11.1.1 Instrumentation du v´ehicule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

11.1.2 Essais sur cycles de conduite d"usages r´eels HYZEM . . . . . . . . . . . . . . . 169

11.1.2.1 Pr´e-conditionnement de la batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

11.1.2.2 Descriptif des essais retenus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

11.1.3 Essais sur route . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

11.2 Analyse par l"´etude des impulsions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

11.2.1 Classification des impulsions de courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

11.2.2 D´etermination des impulsions caract´eristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

11.2.3 Comparaison des impulsions mesur´ees sur cycles Hyzem et en usage sur route . 180

TABLE DES MATI`ERESxiii

12 Conclusions et perspectives183

12.1 Construction de tests de vieillissement acc´el´er´e repr´esentatifs de l"usage . . .. . . . . 183

12.2 Limites de la m´ethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 184

12.2.1 L"influence des cycles de conduite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

12.2.2 Le crit`ere de similarit´e entre distributions . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 184

12.2.3 L"impulsion est-il le meilleur ´el´ement repr´esentatif? . . . . . . . . . . . . .. . 184

12.2.3.1 Les limites de l"´etude par impulsions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

12.2.3.2 Introduction aux phases de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . 185

12.3 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 185

Conclusion g´en´erale186

Bibliographie188

Annexes207

Annexe A : Homologation des v´ehicules particuliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

A.1 Transport routier et mobilit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 A.2 Normes EURO 4, 5 et 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 A.3´Evolution de la masse et de la puissance massique des v´ehicules commercialis´es 208 A.4 Types d"essais pour l"homologation de v´ehicules particuliers . . . . . . . . . . 209 A.5 Relation entre consommation et ´emission de CO

2. . . . . . . . . . . . . . . . 209

A.6 Caract´eristiques du v´ehicule de r´ef´erence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 210

A.7 Calcul de la puissance du v´ehicule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 A.8 Comparaison des cycles d"essais NEDC, HYZEM et ARTEMIS . . . . . . . . . 212 A.9 Comparaison des flux ´energ´etiques mis en jeu lors des cycles cin´ematiques . . 215

A.10 Influence de la masse du v´ehicule sur les flux ´energ´etiques lors du suivi des cycles

d"essai NEDC, HYZEM et ARTEMIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 A.11 Influence de la pente du trajet sur les flux ´energ´etiques lors du suivi des cycles d"essai NEDC, HYZEM et ARTEMIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 A.12 D´emarrage `a froid et surconsommation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

Annexe B : Les potentialit´es de r´ecup´eration d"´energie au freinage . . . . . . . . . . . .. . 220

B.1 Syst`eme global et architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

B.2 Les potentialit´es de r´ecup´eration d"´energie au freinage . . . . . . . . . . . . . . 223

Annexe C : Pr´esentation d´etaill´ee des batteries NiMH et Lithium-ion . . . . . . . . . . . .. 226

C.1 Ph´enom`enes physico-chimiques rencontr´es dans les syst`emes ´electrochimiques . 226 C.1.1 La tension d"´electrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 C.1.2 Le ph´enom`ene de double couche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 C.1.3 Le transfert de charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 C.1.4 Le transport de mati`ere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 C.1.5 La cin´etique d"une r´eaction redox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 C.1.6 Surface active de l"´electrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 C.2 Analogie entre les ph´enom`enes physico-chimiques et les circuits ´electriques ´equi- valents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 C.2.1 Circuit de Randles d"une r´eaction redox . . . . . . . . . . . . . . . . . 236

C.2.2 Calcul des d´eriv´ees partielles

∂if∂Oet∂if∂Ret des rapportsΔO(0,p)

Δif(p)et

ΔR(0,p)

Δif(p)d"une r´eaction redox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

C.2.3 Expressions deR

t,ZO(p)etZR(p)d"une r´eaction redox sur un point de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

C.2.4 Expressions deR

t,ZO(p)etZR(p)d"une r´eaction redox sur un point d"´equilibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 C.2.5 Autres ph´enom`enes pris en compte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 C.3 Comparatif des stockages d"´energie embarqu´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 C.4 Description des batteries `a base de nickel et de m´etal hydrure (NiMH) . . . . . 246 C.4.1 Electrode n´egative M/MH : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

C.4.2 Electode positive NiOOH/Ni(OH)

2: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

C.4.3 Compositions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 C.5 Description des batteries au lithium (Li-ion) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 C.5.1 Electrode n´egative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 C.5.2 Electrode positive : compos´e d"intercalation . . . . . . . . . . . . . . . 253 C.5.3 Electrolyte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 C.5.4 Collecteur de courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 C.5.5 Comparaison des technologies lithium . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 C.5.6 Relation entre causes, effets et facteurs favorisant et r´eduisant les ph´e- nom`enes de vieillissement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 Annexe D : Algorithme d"extraction des phases de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . 257 D.1 Inerties d"un ensemble d"individus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 D.2 Distances entre classes ou strat´egies d"agr´egation . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 D.3 Algorithme d"extraction des phases de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . 259

Annexe E : Boˆıtes `a moustaches ou Box Plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262

Annexe F : Grandeurs caract´eristiques des exp´erimentations sur route . . . . . . . . . .. . 263

Annexe G : R´esultats compl´ementaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 271

G.1 Suivi de l"´etat de charge du pack batterie de la Prius 2 . . . . . . . . . . . . .. 271 G.1.1 Comparaison des diff´erentes m´ethodes de calcul . . . . . . . . . . . . 271 G.1.2 Recalage de l"´etat de charge par le BMS . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 G.2 Autod´echarge du pack batterie de la Prius 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 G.3 Temp´eratures du pack batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 G.3.1 Temp´eratures hors phases d"utilisation . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 G.3.2´Echauffement du pack batterie de la Prius 2 lors des essais sur route . 281

Introduction g´en´erale

Aujourd"hui et dans les ann´ees `a venir, les transports vont faire l"objet de contraintes

de plus en plus s´ev`eres, que ce soit pour la consommation d"´energie ou pour les ´emissions

de polluants. Selon l"Agence Europ´eenne pour l"Environnement (AEE), les ´emissions de CO2 dues aux transports ont augment´e de 20% entre 1990 et 2003. L"augmentation du poids et

de la puissance des v´ehicules (´equipements, mode des 4x4), et la hausse r´eguli`ere du trafic

ont ´et´e plus significatifs que la baisse de la consommation unitaire des v´ehicules. Pour ce qui

concerne les ´emissions de polluants atmosph´eriques, la commission europ´eenne a mis en place

une norme antipollution en 2005 encore plus stricte que les pr´ec´edentes pour les v´ehicules

neufs (Euro IV) qui r´eduit la fenˆetre des ´emissions d"oxydes d"azote et de particules. Rendue

plus s´ev`ere tous les quatre ans, cette norme a pour objectif de corriger petit `a petitles tendances polluantes de notre ´epoque. Les constructeurs automobiles doivent donc s"adapter `a ce contexte en d´eveloppant des solutions moins polluantes tant au niveau local que global. Plusieurs alternatives s"offrent `a eux comme l"am´elioration des moteurs existants, le Gaz de

P´etrole Liqu´efi´e, le Gaz Naturel V´ehicule, le biogazole, les piles `a combustible mais aussi le

v´ehicule ´electrique et le v´ehicule hybride. Les v´ehicules hybrides constituent notamment `a court terme une excellente solution aux probl`emes de pollution en ville, et `a moyen ou long terme pourraient venir remplacer les v´ehicules thermiques classique. Cependant, l"essor de la branche hybride est r´ecent. LesJa-

ponais ont ´et´e les pr´ecurseurs de la commercialisation des v´ehicules hybrides dans les ann´ees

90. Ils sont ceux qui ont le plus d´evelopp´e l"hybridation : Toyota (Prius, Crown, Estima),

Honda (Insight, Civic, Accord), Nissan (Tino) et Lexus. Les constructeurs fran¸cais ont com- menc´e a d´evelopp´e ce type d"architecture plus r´ecemment. Citro

¨en a d´evelopp´e un syst`eme

Stop and Startsur la C3 et Renault un hybrideplugs-insur le mod`ele Kangoo. Le d´eveloppe-

ment de cette technologie va n´ecessiter une implication des diff´erentes branches concern´ees :

les constructeurs automobiles, les ´equipementiers, les fabricants de batteries ainsi que les

pouvoirs publics nationaux (aides, taxation de l"´energie), et mˆeme locaux (contraintes de cir-

culation). Les concertations entre ces diff´erents acteurs d´etermineront les v´ehiculeshybrides

de demain. Dans ce contexte, l"INRETS travaille en collaboration avec ces diff´erents acteurs afin

de valoriser cette technologie. Il s"attache depuis plusieurs ann´ees `a d´evelopper une biblio-

th`eque de mod´elisation dynamique des v´ehicules conventionnels et hybrides, VEHLIB. En

compl´ement, des algorithmes d"optimisation globale de la gestion d"´energie pour les v´ehicules

hybrides ont ´et´e mis au point. La modularit´e de ces m´ethodes permet de modifier ais´ement

les param`etres d"une chaˆıne hybride : moteur thermique, machine(s) ´electrique(s), batterie et

gestion de la charge batterie, nature et param`etres de la transmission m´ecanique. Il est ainsi

possible de d´eterminer le gain d"´energie obtenu par le v´ehicule en fonction de l"architecture

et des ´el´ements choisis. La justesse des r´esultats repose sur des mod`eles ad´equats. Chaque

´el´ement est donc sujet d"´etude de mod´elisation; notamment les batteries. 1

2Introduction

De plus, la dur´ee de vie, la fiabilit´e et le coˆut du stockage d"´energie sont,`a ce jour, les

principaux obstacles au d´eveloppement des v´ehicules hybrides. De par la nature novatrice de

l"hybridation ´electrique et de l"´evolution permanente des ´el´ements de stockage d"´energie, il

existe peu de retours d"exp´erience. Il est n´ecessaire de tester syst´ematiquement lesnouveaux

´el´ements en fonction du choix de l"architecture hybride, le dimensionnement puissance-´energie

du pack, la loi de gestion d"´energie et l"usage du v´ehicule. Il est important de pouvoir res-

treindre le nombre de ces tests tout en permettant d"´evaluer les tendances des diff´erentes configurations. L"´elaboration de ces essais passe tout d"abord par une analyse pointue des

conditions d"usage du stockage d"´energie r´eversible dans une architecture hybride. De plus, la

r´ealisation de ces essais sera entre-coup´ee par des analyses de performance. Cette ´etape n´eces-

site des m´ethodes de mod´elisation pr´ecises pour permettre d"estimer correctement l"´evolution

des performances en fonction de l"´etat de vieillissement de la batterie. De mani`ere plus pr´ecise, le document est structur´e en trois parties principales : -Contexte et probl´ematique; -Mod´elisation des batteries de puissance; -Analyse de l"usage.quotesdbs_dbs25.pdfusesText_31

[PDF] Batterie,Guitare basse, Contrebasse, Guitare, Piano

[PDF] Batterie-Démarreur Electrique - Anciens Et Réunions

[PDF] Batterielose Funktaste

[PDF] Batteries - Support Technique

[PDF] Batteries - ADI - Anciens Et Réunions

[PDF] Batteries - Invacare

[PDF] Batteries / châssis / armoires - Gestion De Projet

[PDF] BATTERIES AA NiMh RECHARGEABLES (PAQUET DE 2

[PDF] Batteries AGM jusqu`a 370 ah - Anciens Et Réunions

[PDF] Batteries au lithium fer phosphate de 12,8 V - Anciens Et Réunions

[PDF] Batteries au plomb - France

[PDF] Batteries de cuisine Alu 2,5mm Pierre Manche Amovible - Anciens Et Réunions

[PDF] batteries de démarrage - Anciens Et Réunions

[PDF] batteries de démarrage liste produits et prix 2015

[PDF] Batteries du futur pour véhicules électriques - Électricité