LES BATTERIES

Lionel ROUÉ Institut National de la Recherche Scientifique Département Énergie, Matériaux et Télécommunications Varennes, Québec, CANADA

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Sommaire

       Historique Le marché des batteries Concepts de base Les facteurs influençant les performances d’une batterie Généralités sur les batteries primaires et secondaires Les batteries primaires  - la batterie alcaline Zn/MnO 2 Les batteries secondaires  - La batterie Ni-MH   - la batterie Li-ion - la batterie Li-air Les véhicules hybrides et électriques 2

SUPPORTS BIBLIOGRAPHIQUES

Livres:

-

Handbook of Batteries

(3d. Ed., 2002, McGraw-Hill Inc) by David Linden & Thomas B. Reddy - Advanced batteries: materials science aspects (2008, Springer) by Robert A. Huggins

Journaux:

- Journal of Power Sources - Journal of The Electrochemical Society - …

Sites web:

- batteryuniversity.com

- mpoweruk.com

- … 3

Alessandro Volta History of battery development

Volta discovered in 1800 that a continuous flow of electrical force was generated when using certain fluids as conductors to promote a chemical reaction between the metals or electrodes. This led to the invention of the first voltaic cell, better know as the battery. Volta discovered further that the voltage would increase when voltaic cells were stacked on top of each other.

1800 1802 1820 1833 1836 1859 1868 1888 1899 1901 1947 Mid 1960 Mid 1970 1990 1991 1992 1999

Volta (Italy) Cruickshank (England) Ampère (France) Faraday (England) Daniell (England) Planté (France) Leclanché (France) Invention of the voltaic cell First electric battery capable of mass production Electricity through magnetism Announcement of Faraday’s Law Invention of the Daniell cell Invention of the lead acid battery Invention of the Leclanché cell Gassner (USA) Jungner (Sweden) Edison (USA) Neumann (France) Completion of the dry cell Invention of the nickel cadmium battery Invention of the nickel-iron battery Successfully sealing the nickel cadmium battery Union Carbide (USA) Development of primary alkaline battery Development of valve regulated lead acid battery Sony (Japan) Kordesch (Canada) Commercialization nickel-metal hydride battery Commercialization Li-ion battery Commercialization reusable alkaline battery Commercialization lithium-ion polymer 4

LE MARCHÉ DES BATTERIES

- marché en pleine croissance: - fin des années 40: - début des années 80: - 1995: - 2005: 0.5 milliards de $/an 10 milliards de $/an 25 milliards de $/an >50 milliards de $/an - croissance actuelle associée à la multiplication des systèmes électroniques portables (téléphones, ordinateurs,...) - émergence de nouveaux marchés (véhicules hybrides et électriques) 5

World battery demand (millions of U.S. dollars)

Source: The Freedonia Group. (2006)

2000 2005

World battery demand North America Western Europe Asia/Pacific Other regions

38,300 10,325 9630 12,850 5495 52,600 12,100 11,400 21,300 7800 2010 (expected) Annual growth (%) May 2000 October 2005 73,600 15,250 13,950 33,100 11,300 6.6

3.2

3.4

10.6

7.3

6.9

4.7

4.1

9.2

7.7

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Alkaline batteries dominate the primary battery market. Others primary batteries are lithium and zinc-air. Lead-acid accounts for half the demand of rechargeable batteries. This battery is mainly used for automotive and stand-by applications.

Lithium-ion batteries lead the demand in powering portable devices. The market for nickel-cadmium, on the other hand, is shrinking. This chemistry will be replaced with nickel-metal-hydride. 7

Global battery manufacturers Li-ion battery manufacturers

The top Japanese suppliers held 60% of the market in 2004, but new contenders from other countries in Asia are making strong in-roads.

BYD Battery Co. Ltd. in China is an example of a major new global battery producer. LG Electronics Inc. and Samsung Electronics Co. Ltd. in South Korea are following. These companies are gaining ground due to low pricing and improving quality.

The USA and Europe mainly produce specialty batteries for defense and industrial applications

Liste des fabricants de batteries: http://energy.sourceguides.com/businesses/byP/batP/batt/batt.shtml

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Amélioration importante des performances des batteries au cours des années La batterie idéale n’existe pas encore. => R&D très active: 1) amélioration des performances des batteries existantes (augmentation du ratio matériau actif/matériau inactif, amélioration efficacité batteries dans conditions d’utilisation drastiques, mise au point de nouveaux matériaux, élimination des composés toxiques...) 2) mise au point de nouvelles batteries (lithium-air, micropiles à combustible,...)

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BATTERIE =

- dispositif convertissant directement l’énergie chimique contenue dans les matériaux actifs de la batterie en énergie électrique via une réaction d’oxydo-réduction --> processus électrochimique - constituée d’une ou plusieurs cellules électrochimiques connectées en série et/ou en parallèle 10

électrolyte chaque cellule est constituée de: circuit externe

-

+ séparateur électrode négative: donne électrons en décharge électrode positive: accepte électrons en décharge 11

ELECTRODES: - légères - peu coûteuses - facile à fabriquer - stable - bon conducteur électronique - capacité élevée (Ah/g) - différence de potentiel élevée (V) ELECTROLYTE: - solide ou liquide - bon conducteur ionique - isolant électronique - inerte vis à vis des électrodes - propriétés peu modifiées par variation de température - peu coûteux SÉPARATEUR: - sépare l’anode de la cathode => empêche court-circuit - perméable à l’électrolyte 12

représentation d’une cellule électrochimique: convention : en décharge, électrons vont de la gauche vers la droite => oxydation à l’électrode de gauche = anode => réduction à l’électrode de droite = cathode e A N O D E A + RED 1 ---> OX 1 + z e B C A T H O D E OX 2 + z e ¸ ---> RED 2 13

potentiel de cellule (f.e.m.): convention : E cellule = E cathode - E anode (décharge) e-

-

+ anode: cathode: cellule: Zn cations anions Cl 2 Cl Zn 2+ Zn ---> Zn 2+ + 2 e Cl 2 + 2 e ¸ ---> 2 Cl Zn + Cl 2 ¸ ---> Zn 2+ + 2 Cl E 0  = -0.76 V/ENH E 0 = 1.36 V/ENH E 0 = 2.12 Volts

notion de spontanéité énergie libre de réaction:  G 0 = - n F  E 0 n = nb. d’électrons F = cst. de Faraday (96500 C) réaction spontanée si  G 0 < 0 (  E 0 > 0) => donne le sens de la réaction spontanée = donne le sens de la réaction de décharge notion de réversibilité si le sens de la réaction de cellule peut être inversé: = batterie rechargeable = batterie secondaire = accumulateur si la réaction de cellule est irréversible = batterie non-recheargeable = batterie primaire = pile

capacité théorique d’une cellule = quantité totale d’électricité impliquée dans la réaction de cellule (s’exprime généralement en Ah/g de matière active) Zn -----> Zn 2+ + 2 e Q A = nF/M = 2 X 96500 / 65.4 = 2951 Coulombs / g (A.s/ g) = 0.82 A.h /g soit 1.22 g /Ah Cl 2 Q C + 2 e- ---> 2 Cl = nF/M = 2 X 96500 / 71 = 2718 Coulombs / g (A.s/ g) = 0.76 A.h /g soit 1.32 g /Ah Zn + Cl 2 ----> ZnCl 2 Q = (1.22 + 1.32) g/Ah = 2.54 g/Ah soit 0.394 Ah/g 16

densité d’énergie théorique d’une cellule Energie (Wh/kg) = voltage (V) x capacité (Ah/g) Zn + Cl 2 ----> ZnCl 2 Q = 0.394 Ah/g Eo = 2.12 V densité d’énergie théorique de la cellule = 2.12 x 0.394 = 0.835 Wh/g = 835 Wh/kg Densité de puissance d’une cellule Puissance (W/kg) = Energie (Wh/kg) / durée d’utilisation (h) 17

le processus de charge/décharge d’une supercapacité s’effectue en qq secondes contre plusieurs heures dans le cas d’une batterie

Classification des batteries

1) batteries primaires

(non-rechargeables) - principaux avantages: prix faible, densité d’énergie élevée (aux faibles courants de décharge), auto-décharge faible, pas de maintenance, utilisation facile.

- principales applications: jouets, lampes, appareils photographiques,...

2) batteries secondaires

( rechargeables) - principaux avantages: rechargeable, cinétique de décharge élevée, bonnes performances aux basses températures, - principales applications: voitures, ordinateurs et téléphones portables

3) batteries de réserve

d’activation) (non-rechargeables, exigent une phase - principaux avantages: pas d’autodécharge (idéale pour stockage long terme dans conditions sévères) - principales applications: missiles, torpilles, balise de détresse,...

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Energie théorique vs Energie pratique Énergie théorique = énergie maximale uniquement basée sur la quantité de matériaux actifs dans la batterie basée sur un décharge complète de la batterie considère que E réel = E théo => capacité réelle << capacité théorique 22

énergie réelle ≈ 20-30 % énergie théorique 23

Facteurs influencant les performances d’une batterie: 1) le voltage densité d’énergie (Wh/kg) = voltage (V) x capacité (Ah/g)  quand V , densité d’énergie E = E 0  (  ct ) a + (  c ) a  E 0 = potentiel théorique  (  ct ) c + (  c ) c  - iR i  ct = surtension d’activation (transfert de charge)  c = surtension de concentration (transfert de masse) R i = résistance interne de la pile i = courant appliqué 24

E = E 0  (  ct ) a + (  c ) a   (  ct ) c + (  c ) c  - iR i 25

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“C-rate” Facteurs influencant les performances d’une batterie: 2) le courant appliqué

n = I / C

I = courant de décharge appliqué (mA/g) C = capacité nominale (mAh/g) = une décharge réalisée à une vitesse de décharge “nC” délivrera sa capacité nominale en n -1 h ex: si la capacité nominale d’une batterie est de 100 mAh/g: - une vitesse de décharge de 2C s’effectuera en imposant un courant de 200 mA/g - une vitesse de décharge de C/2 s’effectuera en imposant un courant de 50 mA/g 28

la capacité d’une batterie décroit quand le courant de décharge augmente 29

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Facteurs influencant les performances d’une batterie: 3) la température 31

Facteurs influencant les performances d’une batterie: 4) mode de décharge 32

Facteurs influencant les performances d’une batterie: 5) le design -maximiser le rapport surface/volume des électrodes = gain en puissance - minimiser volume et poids morts = gain en densité d’énergie 33

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‘’Smart’’ battery 35

nomenclature internationale des batteries: code du système électrochimique

4LR25-2

nb. de groupe de cellule en parallèle code des dimensions nb. de cellules en serie par groupe code de la forme

=

mm) - batterie constituée de 2 groupes de cellules en parallèle.

- chaque groupe est constitué de 4 cellules en série. - les cellules sont du type L (= Zn/MnO 2 ), de forme R (= cylindrique), de dimension 25 (= diamètre 32 mm, hauteur 91 36

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choix d’une batterie - rechargeable ou non, batterie de réserve ?

- voltage ?

- capacité ?

- puissance ?

- courant de décharge appliqué ?

- durée de la décharge ?

- décharge continue ou non ?

- environnement d’utilisation (T, P, humidité,...) ?

- durée de stockage ?

- encombrement (poids, volume)?

- sécurité ?

- maintenance ?

- prix ?

-....

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les batteries primaires sont moins performantes aux courants de décharge élevés 42

les batteries primaires sont plus sensibles à la température 43

les batteries secondaires sont plus sensibles à l’autodécharge 44

BATTERIES PRIMAIRES 45

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La batterie primaire (Zn/KOH/MnO 2 ) e K + ,OH Zn MnO 2 K + ,OH Zn(OH) 2 MnOOH Zn(s) / Zn(OH) 2 (s), KOH(aq) // KOH(aq), MnO 2 (s) / MnOOH(s) 49

les réactions électrochimiques

cathode

: - MnO 2 + H 2 O + e- ----> MnOOH + OH - en fin de décharge: 3 MnOOH + e- ----> Mn 3 O 4 + OH + H 2 O

anode:

- en début de décharge: Zn + 4 OH ----> Zn(OH) 4 2 + 2 e - Zn + 2 OH ----> Zn(OH) 2 + 2 e ZnO + H 2 O 50

Réaction globale

2 MnO 2 : - à 1 e- par mole de MnO 2 : + Zn + 2 H 2 O ---> 2 MnOOH + Zn(OH) 2 3 MnO 2 - à 1,33 e- par mole de MnO 2 : + 2 Zn ---> 2 Mn 3 O 4 + 2 ZnO potentiel de circuit ouvert = 1.5-1.75 V potentiel moyen durant la décharge = 1.2 V réaction parasite: Zn + 2 H 2 O ---> Zn(OH) 2 + H 2 - augmentation pression interne dans la pile - perte de matière active ==> - addition d’inhibiteurs organiques ou métalliques - réduction des impuretés du Zn - formation d’alliage ou d’amalgame de Zn 51

Les différents constituants de la pile 52

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BATTERIES SECONDAIRES 55

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Applications

: La batterie secondaire Ni-MH

Performances

:

KOH MH M e charge e décharge NiOOH KOH Ni(OH) 2 MH(s) / M(s), KOH(aq) // KOH(aq), NiOOH(s) / Ni(OH) 2 (s) 61

EN DÉCHARGE

les réactions électrochimiques

cathode

: NiOOH + H 2 O + e- ----> Ni(OH) 2 + OH -

anode:

MH + OH ----> M + H 2 O + e-

réaction globale:

MH + NiOOH ----> M + Ni(OH) 2 E 0 = 0.52 V/ENH E E 0 0 = -0.83 V/ENH = 1.35 V 62

cathode

: Les différents constituants de la pile - Ni(OH) 2 - Co(OH) 2 - graphite 80 % pds.

2 % pds.

18 % pds.

Anode:

hydrure metallique MH - bonne capacité d’hydruration ( à T amb. et P atm.) - cinétique d’hydruration/deshydruration rapide - résistant à l’oxydation - résistant à la décrépitation 63

Hydrures métalliques pour batteries Ni-MH

1000 800 600 400 200 0 LaNi 5 ZrCr 2 ex: MmNi 3.6

Co 0.7

Al 0.3

Mn 0.4

capacité initiale= ~300 mAh/g perte de capacité <0.1 % par cycle Inconvénient: $$ Mg 2 Ni Capacité théorique élevée Peu coûteux Inconvénient: cinétiques lentes, faible durée de vie

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NiOOH/Ni(OH) 2 contrôle de la surcharge en surcharge: oxydation OH en O 2 MH/M réduction H 2 O en H 2 augmentation P cellule capacité de réserve NiOOH/Ni(OH)2 MH/M en surcharge: oxydation OH en O 2 P cellule stable diffusion 4 MH + O 2 ---> 4 M + 2 H 2 O

La batterie secondaire Li-ion 67

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Li 1-x MO 2

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Source: J. Power Sources 195 (2010) 2419

LiFePO 4 is an intrinsically safer cathode material than LiCoO 2 . The Fe P-O bond is stronger than the Co-O bond, so that when abused, (short circuited, overheated, etc.) the oxygen atoms are much harder to remove.

Only under extreme heating (generally over 800 °C) does breakdown occur and this bond stability greatly reduces the risk of thermal runaway when compared with LiCoO 2 Toshiba released a lithium-titanate battery, dubbed Super Charge Ion Battery (SCiB). The battery is designed to offer 90% charge capacity in just 10 minutes.

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M + x Li + + x e = Li x M

Source: J. Power Sources 195 (2010) 2419

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Batteries Li-air

Li-air batteries hold the promise of increasing the energy density of Li-ion batteries by as much as 10 times

Source: J. Phys. Chem. Lett. 2010,1, 2193.

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Source: J. Phys. Chem. Lett. 2010,1, 2193.

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Source: J. Phys. Chem. Lett. 2010,1, 2193.

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LES VÉHICULES HYBRIDES ET ÉLECTRIQUES

Marché des véhicules hybrides et électriques : 2007: ~500 000 VH (~1% du marché de l’automobile) 2010: ~1 000 000 VH (~2% du marché) 2020: 3 800 000 VH + 1 300 000 VE (7.3% du marché) 78 (Nov. 2010)

In 2020, global sales of hybrids and plug-in hybrid electric vehicles are expected to account for just 5.5% of the 70.9 million passenger vehicles projected to be sold globally.

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Toyota Prius (23K US$, 4.2 L/100 km) 400 000 Prius vendues en 2009 Ventes cumulées depuis 1997: > 2 000 000 Evolution des ventes mondiales du principal constructeur de véhicules hybrides - Source : communiqué de presse Toyota, aout 2010

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Based on the real and perceived negative financial challenges that alternative-energy vehicles present to consumers —and as long as the price of oil remains relatively stable— it does not seem likely that the growth rate of such battery-based vehicles as HEVs and BEVs will be significant. Automakers will be challenged to convince consumers to invest in these relatively expensive and unproven technologies.

À 1$/L d’essence: durée d’amortissement pour l’achat d’une HEV = 6 ans À 1.36 $/L = 3 ans

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Pour quantifier les hybrides, on utilise souvent les vocables

micro, mild

Micro

et

full

.

: signifie que la partie électrique du type d'hybride considéré est inférieure à 10 % de la puissance totale.

Mild

: signifie que la partie électrique du type d'hybride considéré est comprise entre 10 et 30 % de la puissance totale.

Full

: signifie que la partie électrique du type d'hybride considéré est supérieure à 30 % de la puissance totale.

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Stop & start

Arrêt automatique du moteur thermique pendant les phases d'arrêt du véhicule (feu, rouge, bouchon...) et redémarrage automatique du moteur dès le décollage du véhicule. Cela représente une économie de 15 % du temps voiture arrêtée en cycle mixte et 20 à 30 % en régime urbain.

Stop & go

Cette fonction est le prolongement de la fonction précédente avec l'application additionnelle d'un faible couple moteur électrique aux roues pour favoriser le décollage du véhicule.

Récupération d'énergie

Recharge de la batterie de puissance lors des phases de freinage ou de décélération (énergie « gratuite »). 24 %

d'énergie

est

récupérable au freinage

sur cycle mixte, et 40 % sur cycle urbain. Selon la puissance motrice de la machine électrique et l'architecture GMP (groupe moto-propulseur = moteur + boîte de vitesses + différentiel), l'enjeu va de 5 à 20 g/km de CO 2 .

Downsizing et optimisation du fonctionnement du moteur thermique

L'optimisation du fonctionnement consiste d'une part à éteindre le moteur thermique dans les zones où le moteur électrique est suffisant, d'autre part à utiliser l'addition ou la soustraction du couple du moteur électrique pour faire fonctionner le moteur thermique à des points de couple/régime de consommation optimale.

La figure représente les différents postes de gain sur les hybrides parallèles à essence. Un optimum apparaît autour de 15 à 20 kW par tonne de véhicule. Si la partie électrique est supérieure à ces valeurs, elle n'apporte plus de gain en consommation mais des prestations dynamiques.

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2008)

La Recherche, 2002

1 1 2 2 4 3 5 1 6 6 6 7

électrique 35-60% 90% 31-54 %

1 2 3 4 extraction, transport, raffinage, distribution rdt moteur thermique(40%) perte transmission mécanique (-5%) - perte à l’arrêt(-10%) - perte au freinage (-5%) rdt centrale électrique (35-60%) x rdt electrolyseur (60%) x rdt compression/distribution/stockage H 2 rdt production methanol (75%) x rdt reformage à bord methanol (65-80%) (75%) 5 6 rdt reformage en usine methane (~75%) x rdt compression/distribution/stockage H 2 rdt pile à combustible (40-55%) – perte au freinage (-3%) (~75%) 7 rdt moteur electrique (90%) >> rdt moteur thermique (40%) , pas de perte d’énergie à l’arrêt, récuperation énergie cinétique au freinage

Système "full hybride parallèle"

ENG=moteur thermique; Clutch=embrayage; MOT=moteur électrique; PE= électronique de commande

Le principe général de fonctionnement consiste à combiner un (ou deux) moteur électrique (souvent réversible en générateur) avec un moteur thermique pour propulser un véhicule. Le principe de fonctionnement extrêmement simplifié : - Lorsque le véhicule est immobile, les deux moteurs sont à l'arrêt ; - Au démarrage, c'est le moteur électrique qui assure la mise en mouvement de la voiture, jusqu'à une vitesse de l'ordre de 25 km/h ; - Lorsqu'une vitesse plus élevée est atteinte ou qu'une accélération forte est demandée, le moteur thermique prend le relais ; - En cas de très forte accélération, les deux moteurs fonctionnent simultanément, ce qui permet une accélération supérieure ; assurant ainsi le frein moteur et soulageant les freins mécaniques.

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L'hybride série est un véhicule électrique dont le moteur thermique alimente un générateur électrique alimentant à son tour le moteur électrique qui entraine le véhicule; il peut donc tourner à régime optimal. De plus, il n'y a pas de pertes mécaniques dans la transmission. Des batteries et des super-condensateurs permettent de stocker l'énergie et éventuellement de rouler en "tout électrique". Le freinage est, bien sûr, régénératif. La Chevrolet Volt utilise cette technologie.

L’hybride à transmission intégrale consiste à utiliser une traction classique plus des moteurs électriques installés sur les roues arrières. On dispose ainsi de quatre roues motrices sans complication de la transmission mécanique. Ce système sera disponible en 2011 sur la Peugeot hybride-diesel multisegment 3008 Hybrid4 (consommation de 3,8 L/100 km vs 6,9 L/100km pour la version diesel) 88

On parle de véhicule hybride rechargeable lorsqu'un véhicule hybride, qu'il soit série ou parallèle, peut se recharger sur le réseau électrique, ce qui permet, pour les petits trajets quotidiens, de l'utiliser en mode tout électrique. Ainsi les Chevrolet Volt et Opel Ampera, premières utilisatrices de ce système, permettraient à leurs utilisateurs de rouler jusqu'à 60 km par jour sans utiliser d'essence, en rechargeant les batteries la nuit. Le moteur thermique est remis en route lorsque les batteries sont épuisées ou au-delà d'une certaine vitesse, allouant jusqu'à 600 km d'autonomie au total sur les Volt et Ampera.

L'hybride rechargeable

a les avantages de l'électricité

: il n'émet pas de pollution sur son lieu d'utilisation, en mode électrique ; il est très silencieux à basse vitesse ; il permet d'utiliser une source d'énergie indépendante des hydrocarbures.

L'hybride rechargeable

n'a pas les inconvénients de l'électrique pur

du fait de la souplesse que confère le passage au mode thermique en cas de besoin : il résout l'essentiel des conséquences des performances insuffisantes des batteries ; une autonomie électrique d'une cinquantaine de kilomètres serait suffisante ; il nécessite un volume, un poids et un coût de batteries limités et peut supporter à court terme des défaillances des batteries ; son développement sur le marché ne nécessite pas, en préalable, un équipement très dense de bornes de rechargement : les prises électriques existantes dans les maisons individuelles et les lieux publics suffisent.

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Electric Vehicle (EV) Battery Operating Requirements

Large capacity batteries are required to achieve reasonable range. A typical electric car uses around 150 to 250 Watt hours per mile depending on the terrain and the driving style. The battery must be capable of regular deep discharge (80% DOD) operation. It is designed to maximise energy content and deliver full power even with deep discharge to ensure long range. A range of capacities will be required to satisfy the needs of different sized vehicles and different usage patterns. Must accept very high repetitive pulsed charging currents (greater than 5C) if regenerative braking required. Without regenerative braking, controlled charging conditions and lower charging rates are possible. (At least 2C desirable). Routinely receives a full charge. Often also reaches nearly full discharge. Needs a Battery Management System (BMS) Needs thermal management. Typical voltage > 300 Volts. Typical capacity > 20 - 60 kWh. Typical discharge current up to C rate continuous and 3 C peak for short durations.

Hybrid Electric Vehicle (HEV) Battery Operating Requirements

Capacity is less important with HEVs compared with EVs since the engine also provides capacity therefore the battery can be much smaller, saving weight. However the battery may still be required to provide the same instantaneous power as the EV battery from time to time. This means that the smaller battery must deliver much higher currents when called upon.

Some typical requirements are as follows: Designed to maximize power delivered. Must deliver high power (up to 40C) in repetitive shallow discharges and accept very high recharging rates. Very long cycle life 1000 deep cycles and 400,000 - 1,000,000 shallow cycles. Operating point is between 15% and 50% DOD to allow for regenerative braking. Never reaches full discharge. Rarely reaches full charge. Needs thermal management. Complex BMS necessary to regulate battery energy management as well as for driver instrumentation. Needs interfacing with overall vehicle energy management. Typical voltage > 144 Volts. Typical power > 40 kW . Capacity 1 to 10 kWh depending on the application. As with EVs above, the size, shape and weight distribution of the battery pack must be tailored to the vehicle. 90

Plug in Hybrid Electric Vehicle (PHEV) Battery Operating Requirements

Batteries for plug in hybrid vehicles must satisfy conflicting performance requirements.

Traction batteries are usually optimized for high capacity in the case of pure electric vehicles of for high power in the case of hybrid vehicles. The EV battery operates down to a deep depth of discharge (DOD) for long range whereas the HEV operates at a shallow DOD for long life. The plug in hybrid is designed to be used both as an EV for city driving and as an HEV when the charge is depleted or for highway driving. The dual requirements for an extended all electric range, typically forty miles, as well as maintaining high power availability at low state of charge, (see below), impose very stressful conditions on the battery.

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Practical Traction Batteries

For over a century Lead Acid batteries have been the prime source of energy for traction applications because they are both robust and relatively inexpensive. For fork lift trucks, milk floats and similar applications Nickel Iron batteries , which are almost indestructible and have a lifetime of up to ten years, have also been used successfully. The high weight and bulk of these batteries however has precluded their use in passenger cars.

The advent of high power Nickel Metal Hydride (NiMH) cells which have overcome both the weight and the operating temperature problems has encouraged several automotive manufacturers to introduce EVs or HEVs using NiMH batteries. NiMH cells operate at normal ambient temperatures. They have a higher energy and power density than Lead Acid cells.

Recently high power Lithium Ion cells which have an even higher energy density than NiMH cells have become available. They also operate at normal temperatures and are just being introduced into new electric vehicle designs. These new high energy cells however are more vulnerable to abuse and need the support of electronic Battery Management Systems to provide protection and ensure long cycle life.

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