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Théorie>Electricité>Stockage

Première version: 22/03/2010
Dernière version: 2016-05-13

Stockage d'électricité

Sommaire de la page


Préambule

Attention! Comme pour toutes mes pages sur l'électricité, j'inverse le signe des charges électriques de l'électron et du proton.

Le stockage d'électricité est très difficile, et nous n'avons pas vraiment de solutions idéales.

Le but du stockage est de faire un réservoir d'énergie que nous viderons ensuite sur la route pour avancer (c'est à dire transformer son énergie de stockage en énergie cinétique). L'idéal serait que toute l'énergie mise dans le réservoir puisse être récupérée par le moteur. Ce qui est vrai d'un véhicule essence ne l'est pas forcément en électricité, une partie de l'énergie servant au fonctionnement du réservoir (équivaut à un réservoir d'essence percé) et l'utilisation de l'énergie se faisant à un débit moins rapide plus le réservoir baisse (une crépine de réservoir se bouchant au fur et à mesure à cause de sucre dans le réservoir).

Une autre notion inconnue dans le réservoir d'essence, c'est que les décélérations remettent de l'énergie dans le réservoir électrique. Ce remplissage à fort courant se fait plus ou moins bien, et impacte plus ou moins la durée de vie du réservoir.

Les batteries ne sont pas adaptées à la voiture électrique. Trop lourdes, emmagasinant trop peu d'énergie, trop chères, trop volumineuses, durée de vie trop faible, puissance d'entrée et sortie limité, mauvais rendement, se déchargent même si pas utilisées, risque d'incendie.

Les condensateurs plans (deux plaques polarisées séparées par un diélectrique, pas les condos électrochimiques) sont idéaux : on peut charger une grande quantité d'énergie en peu de temps, et restituer sans pertes cette énergie même avec des intensités élevées, sans pertes dans le temps. Seuls inconvénients, ces condensateurs ont une énergie massique ridicule (dans un kg on ne stocke qu'une infime quantité d'énergie) et leur tension varie tout au long de la décharge, de 0V à des tensions très dangereuses, surtout qu'il n'y a aucune résistance électrique pouvant s'opposer à la décharge accidentelle de plusieurs centaines voir milliers de volts.

Il existe d'autres systèmes alternatifs moins connus, mais jusqu'à présent, rien de bien bandant dans le domaine du stockage électrique, c'est d'ailleurs depuis 150 ans le seul vrai frein au développement de la voiture électrique, mais faut faire avec...

Caractéristiques des systèmes de stockage


Tous les systèmes de stockage peuvent être comparés entre eux grâce à 5 caractéristiques communes.
Ce sont la capacité (combien d'énergie elles peuvent restituer), la densité d'énergie (quantité d'énergie dans un m3 ou dans un kg), les puissances maxi de charge et décharge (quantité d'énergie pouvant être absorbée ou restituée par seconde), le rendement de charge, de décharge et de stockage (quel pourcentage de l'énergie mise est restituée, rapidité d'auto-décharge dans le temps), la durabilité (combien de fois ou de temps le système peut-être utilisé) et le prix d'achat (prix de l'unité d'énergie, en général le prix par unité de capacité).

Capacité

Le système de stockage est caractérisé par sa capacité C en Wh, c'est à dire la quantité d'énergie qu'il est capable de fournir (et pas forcément celle contenue, parce que des systèmes comme les batteries au plomb ne peuvent restituer que 80 % de l'énergie réellement contenue sans dommages, les volants à inertie ne peuvent pas tomber en dessous d'une certaine vitesse, etc.).
C'est en gros la quantité d'énergie qu'il est capable de fournir en 1 h.
Attention, ce ne sont pas des Watts par heure, mais bien des Watts heure, c'est à dire une puissance délivrée chaque seconde et cela pendant 1 heure. 1 Wh est donc 1 J dépensé chaque seconde pendant 1 heure, donc 1 Wh vaut 3600 J. Le Wh est plus adapté aux quantité d'énergies utilisées, le Joule serait un unité trop petite (tout comme en électronique le Farad est une unité trop élevée, on utilise les microfarads).
La capacité est aussi exprimée en Ah, c'est le nombre d'ampères fournis pendant une heure. Quand on exprime en ampères-heure, il faut aussi donner la tension nominale de la batterie pour connaitre l'énergie stockée dans la batterie. C'est pourquoi exprimer la capacité en Wh est plus instructif et rapide, une seule valeur à donner et on sait directement l'autonomie à la puissance demandée.

Attention, le courant de décharge influe sur la perte calorifique de la batterie (résistance interne, voir plus bas la notion de rendement). Une batterie de 90 Ah c'est :

A noter que pour une batterie plomb cette décharge complète est toute théorique, toute batterie plombe déchargée de plus de 20% de sa charge complète s'approche du cimetierre...

L'avantage de noter la capacité en Ah est que cette capacité est la même pour la cellule et pour le module, ou des groupes de modules en série. Ainsi, 1 cellule plomb de 45 Ah sous 2V(soit 90 Wh), une fois connectées en série avec 5 autres cellules de même type, donneront un module de 12V mais toujours de 45 Ah (soit 540Wh). 2 batteries 12 V de 45 Ah en série donneront 45 Ah sous 24 V, soit 1080 Wh.

Aide mémoire

Pour des batteries branchées en parallèle, les Ah et les Wh s'aditionnent (vu que c'est une énergie), seule la tension reste identique.

Densité d'énergie

Pour comparer différents types de batteries ou d'autres moyens de stockage, on peut comparer déjà leur capacité. Mais ce n'est pas suffisant, car dans une batterie plomb de 10 tonnes on peut mettre autant de Wh que dans 100 litres d'essence (90 kg). On ne peut embarquer dans un véhicule 100 tonnes de batterie, il nous faut donc une autre unité pour comparer des moyens de stockage.

Prenons par exemple la quantité d'énergie contenue dans un kilo. Nous obtenons la notion de densité massique d'énergie en Wh/kg. Nous pouvons aussi utiliser la notion de densité volumique d'énergie en Wh/m3, même si cette dernière est moins importante, dans un véhicule c'est surtout le poids en plus qui pénalise le rendement, même si un stockage volumineux d'énergie pénalise l'espace intérieur réservé aux occupants.

Juste à titre de comparaison, l'essence c'est presque 11 000 Wh/kg, une batterie c'est entre 40 et 200 Wh/kg (prenons 100 Wh/kg comme une moyenne convenable en 2010). 1kg de batterie contient 100 fois moins d'énergie qu'1 kg d'essence (1,4 litre).
Mais attention, on ne peut comparer les chiffres brut de fonderie, car dans un moteur essence 70 % de cette énergie contenue est transformée inutilement en chaleur. Il faut donc pondérer avec les rendements des moteurs pris en amont. Nous parlons alors de Wh efficace, c'est à dire la quantité d'énergie réellement utilisée pour faire avancer le véhicule.
Sur une essence avec un rendement de 25 % en moyenne, ça ne laisse plus que 11000*0,25 = 2750 Wh efficaces/kg, et pour un moteur électrique à 80% de rendement en moyenne plus que 100*0,8 = 80 Wh efficaces/ kg.
Si on fait le rapport des deux, l'énergie sous forme d'essence est 2750/80 = 34 fois plus légère que l'énergie sous forme de batteries. Pour un même poids embarqué, il y aura 34 fois moins d'énergie stockée, donc 34 fois moins de kilomètres ou 34 fois moins de performances (ou encore, la consommation augmentant au carré de la vitesse, de rouler 2 fois moins vite en faisant 34/2² = 8,6 fois moins de kilomètres).

Niveau de charge et de décharge

Ce ne sont pas des informations permettant de comparer 2 types de stockage, mais des manières de mesurer la quantité d'énergie restante. J'ai besoin de les définir pour aller plus loin.
SOC (State of Charge ou niveau de charge (unité = % batt) ) : C'est le rapport entre la capacité actuelle (en Wh, ou encore la capacité restante) et la capacité du système de stockage chargé à bloc. Un SOC de 100% indique que le système est chargé à fond, et un SOC de 50% indique que le système est chargé à moitié. Pour simplifier je noterais 50% batt, pour dire qu'il reste 50% de la batterie restante. Attention, en général ce pourcentage n'a rien à voir avec la tension mesurée.

DOD (depth of Discharge ou niveau de décharge) : c'est l'inverse du SOC, c'est à dire 1-SOC. C'est le niveau de décharge, c'est comme l'histoire du verre à moitié plein (SOC, combien il me reste) ou à moitié vide (DOD, combien j'ai consommé).

Attention encore une fois, un système déchargé à fond de son énergie utile peut encore contenir de l'énergie résiduelle, celle qu'on ne pourra jamais utilisée, par exemple le fait qu'un volant à inertie complètement déchargé tournera encore, ou qu'une batterie au plomb contient encore 80 % d'électricité qu'on pourrait récupérer, mais en tuant la batterie.

Courant de charge

Limité par la résistance interne, c'est le courant maximal qui peut traverser la cellule sans l'endommager.Pour les lithium, qui peuvent être rechargées en 1h, il est de 1C (1 fois la capacité batterie, par exemple 30A pour une batterie 30C). Il peut théoriquement être le même que celui de décharge, mais en chauffant inutilement l'accu.

Courant de décharge

Plus le courant de décharge est faible, mieux c'est. Mais alors le véhicule n'avance plus. Le courant de décharge est un compromis entre durée de vie, rendement et performance. Il est lié à la capacité de la batterie. Pour une grosse capacité, le courant est plus fort sans endommager les batteries. Mais ça implique de trainer une tonne de batterie très chères qui de toute façon s'useront dans le temps. C'est pourquoi le courant de décharge est un compromis.

Pour les lithium, il est de 3C. On peut aller à 25C, mais pas plus de quelques secondes, sans quoi l'échauffement de la cellule serait trop important et détruirait cette dernière.

Puissance de décharge maxi

Exprimée en Watts (W). Dépend directement de la puissance maximale (donc du courant maximal et de la tension) que peut émettre le système lors de sa décharge.
Là aussi, pour comparer des systèmes de stockage on utilise les notions de puissance massique (W/kg) et volumique (W/m3).

Puissance de recharge maxi

Exprimée en Watts (W), c'est la capacité du système à se recharger rapidement et à un bon rendement. Cette propriété indique si le système est apte à supporter une recharge rapide ou à encaisser l'énergie issue des freinages ou des descentes (la régénération).

Ces 2 notions de puissance maxi sont primordiales lors de l'étude du stockage d'énergie en régénération, où l'énergie à récupérer est très importante et le temps d'accumulation très court.
Elles sont en générales les mêmes pour la recharge et la décharge.

Rendement d'un système de stockage

Idéalement, on devrait retrouver en sortie de la batterie toute l'électricité qu'on y a mis. Mais en général, lors du stockage de l'énergie dans le système il y a perte d'énergie, de même lors de la restitution. C'est comme un réservoir d'essence percé. Selon la technologie, on va de 70 à 95% de rendement.

Ainsi, sur les batteries NI-Mh, en mettant 100 Wh, on ne récupère que 70 Wh. En plus de ça, le système peut se décharger plus ou moins vite au cours du temps (par exemple, une batterie Ni-XX se décharge en 2 mois). Moins on l'utilise, et plus le rendement diminue. C'est encore plus vrai pour les batteries BatScap de la BlueZero : Elles se déchargent en 2 jours. Résultat, pour une batterie rechargée le vendredi soir, et non utilisée le week-end, vous avez 0% de rendement.

Pertes à la charge-décharge

Les batteries ont une résistances interne, qui provoque un échauffement interne (émission d'énergie sous forme de chaleur au lieu de partir en énergie motrice dans le moteur). U=RI, plus cette résistance interne est élevée, plus le courant est fort, et plus la perte sera importante (donc le rendement faible). Les batteries plomb sont plus sensibles à ce phénomène, alors que les lithium qui restent dans leur plage de courant de décharge y sont peu sensibles.

Pertes au stockage

Les batteries se déchargent toutes au fil du temps, par migration des électrons à travers l'électrolyte. Les plomb et Lithium y sont le moins sensibles. Les Ni-xx se déchargent de 20% par mois, et les lithium ayant besoin d'êtres réchauffées comme les batscap peuvent se décharger en 2 jours.

Usure du système de stockage

Un système de stockage s'use, quand on l'utilise et/ou quand on ne l'utilise pas.
Pour résumé, la durée de vie d'un système dépend de :

- nombre de cycles
- âge
- conditions d'utilisation

Coût de l'unité d'énergie

Il faut pourvoir diverses solutions aussi en fonction du coût final (normalement j'aurais dû le mettre en premier selon certains...), le prix d'achat en €/Wh.


Les batteries

Les différentes batteries du marché


Il y a eu pleins de sortes de batteries utilisées, toutes plus prometteuses les unes que les autres, mais la superstar reste jusqu'à présent la batterie au plomb qui va bientôt fêter ses 200 ans. Certes, on nous en promet de belles pour l'avenir, mais ces promesses, ça fait 150 ans qu'on en voit.
Pour l'instant, en 2010, nous n'avons que 4 technologies possibles :

Technique des batteries

Constitution de base d'un accumulateur

!!!! A faire très résumé, juste pour comprendre le principe
Un accumulateur sert à stocker et à restituer de l'électricité. Il y a différent moyens de la faire, le plus répandu aujourd'hui est de le stocker sous forme chimique, c'est à dire qu'on oxyde un corps (comme le plomb) en lui prenant des électrons (le plomb devient ainsi un ion Pb2+). Les ions migrent alors d'une électrode à l'autre à travers l'électrolyte, tandis que les électrons passent eux par le circuit extérieur à la batterie, en provoquant dans le circuit électrique le courant.
Décrire cathode - anode,
Il faut donc que le matériel qui fournisse les ions électropositifs soit conducteur de l'électricité, de préférence perdent le plus d'électrons possibles, soit le plus électropositif possible (et l'autre le plus électronégatif possible) et le plus léger pour le secteur du transport.

Construction d'une batterie

Le mot batterie vient de la contraction de la désignation "batterie d'accumulateurs". En effet, la batterie plomb 12 V automobile que nous connaissons est en fait une boite qui contient 6 accumulateurs au plomb, un accumulateur (ou encore élément de la batterie, c'est ce terme que nous utiliserons par la suite) étant une sorte de "batterie" unitaire.
Un élément est une plaque de plomb plongée dans l'acide, donc on ne peut le réduire à une entité plus petite. Il sort les 2,2 V imposés par ce type d'électrode et d'électrolyte. Pour avoir une batterie 12 V, on met en série 6 éléments, ce qui nous donne une batterie chargée à bloc de 13,2V, qu'on appelle 12 V par abus de langage et simplification.
SI on avait mis 3 éléments plomb en série, on obtient la batterie 6V des anciennes 2cv. Et 2 batteries 12 V mises en série (soit 12 éléments placés en série) nous donne le système 24 V de la méhari armée ou des camions.
Un élément est limité en nombre d'ampère qu'il peut sortir. S'il faut sortir 40 A, et que notre élément ne peut en sortir que 20, ça veut dire que le premier empilement d'éléments en série ne pourra fournir que 20 A (c'est le même courant qui passe à travers tous les empilements). Il faudra mettre en parallèle à notre premier empilement d'éléments un deuxième empilement d'éléments avec le même nombre d'éléments pour avoir la même tension. Si la tension n'est pas exactement la même entre 2 empilement, l'empilement de plus grande tension va se décharger un peu dans le deuxième, jusqu'à l'équilibre.

Chute de tension

Les batteries, lors de leur décharge, voient leur tension descendre. Mais cette chute de tension dépend du type de batterie.
Par exemple, une NI-MH bien chargée est à 1,4 V, puis descend rapidement à 1,2V, reste un moment autour de cette valeur, toujours en chutant, puis tombe brutalement à 1V. EN dessous de 0,9 V par élément, l'élément se dégrade (des réactions en surface diminuent la surface d'échange et donc le courant maxi en sortie sera diminué, de même que la résistance interne augmente).
Une batterie au plomb, elle, va descendre en tension progressivement. C'est pourquoi très vite les performances du moteur électrique se dégradent, car la tension d'alimentation tombe rapidement en dessous de la tension nominale, alors que la batterie Ni-MH reste longtemps à la tension nominale.

Tension nominale en V d'une batterie : sur une batterie Ni-Mh, on part de 1,4 V par élément, puis on tombe rapidement à 1,2V, on y reste longtemps, puis on chute à 0,9V où ensuite on arrête de prélever du courant. La tension varie en permanence, mais si on prends la moyenne, on est à 1,2V, c'est ce qu'on appelle la tension nominale de la batterie.

Niveaux de charge et de décharge

Une batterie est caractérisée par sa capacité C en Ah, c'est à dire la quantité d'électricité qu'elle est capable de fournir.
Cette capacité s'exprime en Ah, c'est en gros le courant en ampère qu'elle est capable de fournir en 1 h. Par exemple, une batterie de 2cv de 35 Ah peut fournir un courant de 35 A pendant 1 h, ou de 70 A pendant 30 minutes, ou encore de 17,5 A pendant 2 h. Avec le courant de démarreur de 150 A en moyenne, la batterie tiendra 15 minutes.
Mais attention, sur les batteries plomb il ne faut décharger à plus de 80 % de la capacité, sinon au delà la batterie se dégrade et ne plus être rechargée qu'à 80% de sa capacité précédente. Voilà pourquoi il vaut mieux éviter de tirer trop sur le démarreur.

La capacité d'une batterie peut aussi être vue comme l'énergie E en Wh qu'elle contient.
Pour estimer l'énergie contenue dans la batterie, on fait la simplification d'utiliser la tension nominale, sachant que la tension d'utilisation chute en permanence. La tension nominale est grosso modo la tension moyenne rencontrée lors de la décharge.
L'énergie contenue dans la batterie est donc E = U.C. Ainsi, pour une capacité de 70 Ah, à la tension nominale de 12 V pour une batterie plomb, on a une énergie délivrée de 70Ah*12V = 840 Wh = 840*3600 J = 3 024 000 J.
Vous voyez que l'unité d'énergie en Joules est trop faible pour la quantité d'énergie embarquée, c'est pourquoi on préfère utiliser les Wh, plus adéquats.
On peut retrouver ce résultat en calculant la puissance P = U.I et l'énergie W en Joules = P.t. Ainsi, pour une capacité de 70 Ah, à la tension nominale de 12 V pour une batterie plomb, on a une puissance délivrée par seconde de 70A*12V = 840 W (qui est aussi l'énergie délivrée pendant le temps d'une seconde...) et sur une heure une énergie délivrée de 840*3600 = 3 024 000 J.

La capacité d'une batterie de traction est celle qu'on peut tirer d'une décharge complète, c'est à dire jusqu'à un niveau de décharge n'entrainant pas la destruction de la batterie. Pour une batterie au plomb automobile, il s'agit de la décharge complète mais jusqu'à un niveau entrainant une destruction de la batterie, tout du moins un sérieux endommagement. Il s'agit pour une batterie plomb de voir la capacité efficace, qui est de 20 % de la capacité indiquée.

Cette notion de décharge complète m'amène à parler du fait que les batteries un peu cher (toutes celles qui ne sont pas au plomb) doivent normalement posséder un BMS (battery management system) qui coupe la sortie de la batterie une fois que sa capacité est vide (il reste encore de l'énergie à sortir, mais descendre trop bas en tension abimerait irrémédiablement la batterie). Ce BMS scrute en fait élément par élément la tension et se coupe une fois qu'un élément à atteint sa valeur minimale. Ainsi, si dans une batterie avec 100 éléments il y en a un qui à moins de capacité que les autres, il bride à lui tout seul l'ensemble de la batterie en capacité. Pour le détecter, il faut décharger la batterie jusqu'à ce que le BMS coupe la décharge, et mesurer la tension éléments par éléments. Ceux qui ont la tension la plus faible peuvent dégager! (direction le recyclage).

Régime de courant (ou puissance de décharge)

C'est la capacité d'une batterie à se décharger en sortant tant d'ampère comme courant de sortie. Ce courant est en général lié à la capacité de la batterie. Le régime de courant est la valeur du courant sorti par la batterie par rapport à la capacité. 1 C est le courant qui décharge la batterie en 1 h (ex : 35 A pour du 35 Ah).
Par exemple, une batterie au plomb de 35 Ah qui émet un courant d'appel de 300 A pour le démarreur se décharge pendant ce court laps de temps à 300/35 = 8,5 C.
Si la batterie de 35 Ah ne sort que 3 A (cas d'un fonctionnement sans régulateur d'alternateur, sans phares, etc. juste avec l'allumage et les accessoires comme la jauge à essence) le courant est de 3/35 = 0,086 C. On peut tenir plusieurs heures comme ça, exactement 1/0,08 = 11 h. En pratique le moindre coup de démarreur fait perdre 1 heure ou 2 ...

Puissance de décharge maxi

Exprimée en Watts (W). Dépend directement du régime de courant maximal (donc de la puissance de décharge maxi) que peut émettre la batterie. Ce courant dépend du niveau de décharge, de la température de la batterie, de l'usure de la batterie, de la durée (plus la batterie chauffe, plus le courant diminue).
Là aussi, pour comparer des accumulateurs on utilise les notions de puissance massique (W/kg) et volumique (W/m3). A ce moment là, il faut préciser s'il s'agit d'un élément seul ou de l'ensemble de la batterie avec le BMS, le convertisseur, le refroidissement, le blindage autour, etc.

Pour un élément électrique, on sait que la puissance de sortie est directement liée à l'ampérage de sortie (la tension restant à peu près constante). Donc au lieu des Watt on parle souvent d'ampères, exprimés en fonction de la capacité en Ampères heures de la batterie. Par abus, un note la capacité en A, et donc on peut exprimer la puissance de décharge maxi en fonction de la capacité C. Par exemple, si la capacité est de 8 Ah, et que le courant de sortie max est de 16 A, on note la puissance de décharge maxi à 2 C.

Décharger longtemps à la puissance maxi est mauvais pour la durée de vie des batteries et le rendement de décharge, quelles qu'elles soient.

Puissance de recharge maxi

Exprimée en Watts (W), c'est la capacité de la batterie à se recharger rapidement et à un bon rendement. Cette propriété indique si la batterie est apte à supporter une recharge rapide ou à encaisser l'énergie issue des freinages ou des descentes (la régénération).
Cette puissance est malheureusement bien inférieure à celle de recharge, ce qui entraine une baisse de rendement des véhicules électriques qui perdent ainsi pas loin de 50% d'autonomie, seule 20 % de l'énergie de décélération étant récupérée.
Pour les batteries plomb et anciennes Ni-XX, on peut estimer à 0,1 C l'ampérage de recharge, 1 c à 2 C pour la recharge rapide, mais au détriment du rendement et de la durée de vie, à moins que ces recharges soient très courtes (du genre sur un freinage).

Résistance interne

Lorsque la batterie est chargée ou est déchargée, les éléments sont traversés par un courant. Tout corps est résistif, il y a donc une résistance à l'intérieur même de la batterie qui s'oppose au passe du courant qu'elle génère. Ça se traduit par une élévation de la température.
Du coup, pour un courant élevé, il y aura plus de pertes en chaleur et au final le courant de sortie sera limité, alors que l'énergie dissipée en chaleur fait partie de l'énergie qui est contenue dans la pile, et qui donc diminue la capacité de la pile efficace. C'est pourquoi les piles sont en général limitées à 5 ou 10 C en décharge.
La résistance interne est plus élevée sur les LI-XX que sur les NI-XX.

Rendement d'une batterie

Dérive directement de la résistance interne. Tout courant émis par la batterie passe dans cette résistance interne, qui chauffe. Cette dissipation calorifique est de l'énergie dissipée par la batterie qui ne sortira pas de celle-ci. Il y a dissipation lors de la charge et de la décharge. Ainsi, la quantité d'énergie mise dans la batterie ne se retrouve pas en sortie. On peut estimer qu'une batterie se déchargeant à peu de C à un rendement de 80%, et à beaucoup de C à un rendement de 60%.

Usure batterie

Dérive elle aussi directement de la résistance interne (opposition au passage du courant à l'interface électrode/électrolyte).
Suite à l'usure de la batterie, la résistance interne augmente, si trop élevée on ne peut plus sortir de courant suffisant, la tension de sortie chute immédiatement si le courant dépasse 1C, la batterie est à renvoyer au recyclage (il ne faut pas la jeter, toutes les batteries contiennent des éléments polluants et/ou dangereux, de plus en quantité finie sur terre).
A chaque cycle de charge/décharge, la batterie s'use un peu plus (la surface des électrodes s'abime, un dépôt se forme, etc.). Cela se traduit par une résistance interne qui augmente (il faut franchir la surface d'électrode polluée et détériorée), donc une capacité qui diminue par suite du rendement de charge/décharge qui diminue. Ainsi, la durée de vie d'une batterie est souvent donnée en nombre de cycles.
Elle dépend aussi de la durée, même si elle n'est pas utilisée comme il y a des réactions chimiques entre les composants en présence la surface de l'électrode se détériore au fur et à mesure.
Enfin, une batterie neuve que l'on décharge sous sa tension mini est bonne pour la poubelle. Il y a dans ce cas usure par mauvaise utilisation. De même si la batterie est déchargée à des gros ampérages, elle chauffera plus et l'interface électrode / électrolyte va s'abimer beaucoup plus vite.

Pour résumé, la durée de vie d'une batterie dépend :

- nombre de cycles
- âge batterie
- conditions d'utilisation

Propriétés suivant le type de batterie

Les propriétés sont en générales liées au métal d'anode utilisé. Nous utiliserons les termes génériques Pb pour les batteries au plomb, Ni-XX pour les batteries nickel (Ni-Cd et Ni-MH), et Li-XX pour les batteries au lithium (Li-Ion, Li-Po(polymère), Li-Fe, Li-phosphate, ...).
Les Ni-CD sont désormais interdites à cause du Cadmiun polluant, existent depuis le début des années 80, défaut l'effet mémoire, la densité massique faible. Auto-décharge importante.
Ni-Mh 2 fois moins volumineuses, avec aussi un grand courant de décharge. Plus de durée de vie, donc serait le top ne serait-ce que leur densité massique 2 fois plus faible qu'une Lithium Ion et une auto-décharge assez prononcée (40% par mois, 15 % par mois pour les dernières générations.
Les NI
Li-XX 2 fois plus légères que les Ni-Mh, mais plus sensibles à l'explosion, moins grande durée de vie, et les plus chères. Pas d'effet mémoire comparé aux NI-XX. Si on tombe en dessous de la tension mini ou qu'on charge au dessus de la tension maxi, l'élément est mort et peut gonfler ou exploser ou brûler à n'importe quel moment. D'où l'utilisation systématique d'un BMS (empêche d'utiliser la batterie en dessous de sa tension mini) et d'un chargeur adapté (empêche de charger au delà).
Li-ion : plus grande durée de vie que les PO, mais une demie charge compte pour une charge dans la durée de vie, donc au final les Li-PO sont plus pratiques d'usage.
Les lithium Métal Polymère (LiMP) de Batscap sont censées être plus sécuritaires car le lithium est inséré sous forme d'ions, mais au détriment de la capacité massique.
Li-FePo (ou Fer-phosphates) dernière génération, un peu plus lourdes mais stables donc pas de risques d'explosion.

Regardons tout d'abord un tableau comparatif des principaux accumulateurs. Nous cherchons juste à comparer des types d'accumulateurs, donc nous utiliserons des critères relatifs, c'est à dire bon, moyen, ou mauvais. Quand un accumulateur est dans mauvais ça veut dire relativement aux autres qui sont meilleurs que lui et qui sont dans les cases moyen ou bon.

Critère

Pb

Ni-XX

Li-XX

poids pour 1 Wh (kg)




volume pour 1 Wh (m3)




capacité / énergie (Wh)




Puissance de décharge (W)




Puissance de recharge (W)




Maintien capacité au froid




Nb de cycles




durée de vie (années)




coût / Wh




Sécurité

 



Maturité de la technologie





Utilisation des batteries

Tension d'utilisation

Toutes les batteries semblent aimer rester entre 80 et 20 % de charge, histoire de ne pas atteindre les extrêmes. Plus on les recharge tôt, mieux c'est. Excepté le Ni-Cd qui demande de temps en temps d'être déchargé complètement pour éviter un durcissement des surfaces d'électrodes jamais déchargées, ces surfaces se déchargeant plus difficlement et faisant tomber la tension sous le niveau de coupure de l'appareil (le fameux effet mémoire). Mais une fois ces surfaces déchargées elles se refont sans problème à la recharge.

Tous les types de batterie ont cet effet de modification de surface (effet mémoire) plus ou moins marqué, et apprécient régulièrement une bonne décharge. Mais sans abuser. En effet, sur du LiFePo, la durée de vie des éléments est la suivante:

décharge à 10% => 1000 cycles, à 20% => 3000 cycles, à 30% = > 5000 cycles. Il vaut mieux biberonner dans ce cas-là. Par contre, on transporte 30% de lourdes batteries inutilement vu qu'on ne les utilise qu'à 70%. Tout est un compromis entre le coût et les performances désirées. 20 à 25% de charge restante semblent raisonnables. Evidemment recharger dès que possible.

Stockage

Ne jamais stocker une batterie, même pour une demie heure, chargée à 100%, ce qui provoque la métalisation. Les Ni-Cd sont particulièrement sensible à cet effet, les lithium aussi. Arrêter la recharge à 95%, ou consommer de la batterie pour diminuer le niveau de charge.

Pour une courte immobilisation (moins de 2 mois) il est conseillé de stocker :

Lithium : 50 % en rechargeant tous les 6 moi s si pas de consommation (certains BMS consomment de l'énergie, à vérifier toutes les semaines).

NiCd : 20%

Plomb et NiMh : 95%

De toutes façon ces batteries ont tendance à faire de l'autodécharge (surtout le Ni-CD), il faut les recharger tous les 2 mois (sans quoi elles se déchargent sous le seuil de tension minimum, très dangereux avec le lithium).

Seul le Ni-Cd des Saft peut se stocker à 0V (+ et - shunté entre eux) de nombreux mois voir années.

Chargeurs de batteries

Il y a 3 types:

Pb



Ni-XX

Charge lente de 10 à 15 h, il suffit d'appliquer une tension supérieure à l'élément (ou la somme des tensions si batterie constituée de plusieurs éléments en série) et de mettre une résistance limitant le courant à 1/10 de la capacité de l'élément (le même courant passe dans tous les éléments en série, donc même courant que ce soit un ou plusieurs éléments (mais de capacité identique)). Il faut couper le courant en fin de charge, mais si on le laisse branché c'est pas grave car le courant est tellement faible qu'il ne fera pas chauffer outre mesure l'élément, l'énergie étant dissipée inutilement.
Pour une charge rapide, on peut monter à 1 ou 2C (avec C la capacité de l'élément), mais il faut impérativement surveiller la fin de charge car le courant est tellement fort qu'il ferait chauffer jusqu'à la destruction l'élément.
Pour ce faire, on constate qu'en fin de charge la tension de l'élément descend de quelques millivolts (5 à 10 mV/élément pour le Ni-Mh, 10 à 20 mV pour le Cadmium, dues à une chute de la résistance de la batterie) et qu'on observe une hausse de la température (les piles chauffent). C'est pourquoi les chargeurs ont 3 fils, un pour une sonde de température sur un des éléments de la batterie. En pratique, dès que la tension d'un élément arrête d'augmenter, on sait qu'il est chargé presque entièrement, mais on attend la chute de tension pour remplir au max.
Pour contrer l'effet mémoire (si on ne décharge pas entièrement l'accu, sa capacité diminue à chaque charge, jusqu'à ce qu'une décharge de réinitialisation remette tout à zéro), le chargeur applique des micros décharges toutes les 5 secondes en cours de charge, pour avoir toute la capacité nécessaire.

Li-XX

Comme déjà dit, il faut absolument que chaque élément reste en dessous de la tension maximale par élément (ex: 4,2V pour Li-Po), nous allons donc charger à 1C les éléments jusqu'à ce qu'ils atteignent la valeur maxi en tension (on est à environ 75% de la charge, 60% du temps de charge total), puis nous allons descendre la tension appliquée à 4,2 V pour que l'élément finisse tranquilou de se charger (si on débranchait à cet instant l'élément, on s'apercevrait que la tension aux bornes de cet élément ne serait que de 4 V par exemple, et il va progressivement se charger jusqu'à ce que la tension de l'élément atteigne presque 4,2V, pour un courant de charge pratiquement nul), le courant descendant progressivement jusqu'à 100 mA. Ce courant de 100 mA détermine la fin de la charge (on pourrait laisser indéfiniment pour gagner en 20 h 0,001 % de capacité en plus).
Dans le cas d'éléments en série (par exemple 2), on appliquera une tension de 10 V par exemple (la somme des tensions maxi des éléments en série étant 8,4V) toujours avec un courant de 1C (rappelez vous, le courant traverse et recharge donc tous les éléments). Une fois les 8,4 V atteint, on descend la tension appliquée à 8,4 V, et les éléments finissent tranquillement de se recharger. Une fois le courant tombé à 100 mA, on débranche et on part se coucher. Le lendemain matin, on se lève, relax, puis forte odeur de cramé. Kesako? Oups, le garage à brûlé avec la bagnole dedans! Zut, j'ai oublié un truc hier. SI la tension totale des éléments étaient de 8,4 V, vu que les éléments ne sont pas chargés au même moment à la même capacité. J'avais donc un élément à 4,3V, et l'autre à 4,1 V... Misère. Et dès que la tension dépasse 4,2V, tout peut arriver, les ruines du garage en sont la preuve. Pour éviter ce genre de soucis, il me faudra donc à l'avenir vérifier la tension aux bornes de chaque élément, et une fois la tension fatidique atteinte, mettre en parallèle de cet élément une résistance variable me permettant de n'appliquer qu'une tension de 4,2V au borne de l'élément déjà chargé à 75%. Le courant dans cet élément va donc décroître progressivement, tandis que le courant de 1C continue à passer dans les autres éléments chargés.

Correspondances de tension

LiPo

LiFePo

3,2 V nominal / cellule, 3,6 V max et ?? min.

24 V => 8 cellules en série( nominal 24 V -> nom 25.6 V - max 26.8V)

72 V => 24 cellules en série, soit 82 V max et 77 V en nominal.

Gestion de batteries (BMS)

Le fameux BMS (Battery Management Storage) sert à couper la batterie quand un de ses éléments passe en dessous d'une tension seuil (celle où l'élément se dégraderait).

Il faut savoir que c'est toujours la cellule la plus faible qui va donner la capacité du pack. en effet, ça sera la première déchargée (tension basse) et la première rechargée (tension haute), arrêtant ainsi la charge et la décharge et toutes les autres cellules.

C'est le BMS qui gère aussi la capacité maximale de charge. Il serait bien lors de la régénération qu'il y ait un petit temps d'arrêt pour permettre l'inversion de la chimie de décharge à celle de recharge, car ce n'est jamais bon pour les cellules qui ont toujours une inertie chimique avant d'inverser la réaction en cours.

Les supercondensateurs

Ils sont capables d'emmagasiner un fort courant électrique (donc une puissance) en peu de temps, lors des freinages.
Les condensateurs mécaniques (2 plaques conductrices en face l'une de l'autre) ne permettent pas de stocker beaucoup d'énergie, à moins d'utiliser les nanotechnologie et les films minces, mais je crois pas que pour le moment on en prenne la direction.

Les supercondensateurs sont donc des films avec une technologie électrochimique, ce qui diminue sa durée de vie et ses conditions d'utilisation.
Un supercondensateur de 20 kg peut stocker 27 Wh, suffisamment pour un freinage. Mais la densité massique est très faible comparée à une batterie.

Les inductances supraconductrices

Un courant continu qui passe dans les fils d'une bobine génère un champ magnétique dans cette bobine. Ce champ reste tant que le courant passe.
Si on coupe l'alimentation de la bobine et qu'on court-circuite ses bornes, le courant va continuer à circuler, car la bobine, en se déchargeant peu à peu, redonne de l'énergie au circuit électrique.
Mais le problème c'est que le circuit électrique dissipe progressivement cette énergie sous forme de résistance.
Si on utilise un conducteur supraconducteur, cette résistance est nulle, et le courant circule indéfiniment dans la bobine. Jusqu'à ce qu'on prélève un peu de courant par exemple pour alimenter un moteur, ce qui va continuer à décharger progressivement l'énergie stockée dans le champ magnétique de la bobine.
L'intérêt est que comme pour un condensateur non électrochimique, la totalité de l'énergie mise est restituée, au contraire des batteries.
Il faut que le matériau reste dans une plage de densité de courant, d'intensité magnétique et à des températures très basses impliquant l'emploi d'hélium ou d'azote liquide.

L'intérêt se trouve pour des applications où il faut des charges et décharges totales rapides, non limitées en fréquence, avec un grand nombre de cycles (comme la récupération au freinage de véhicules) et un rendement élevé. Les champ magnétiques parasites peuvent être évités.

Les conducteurs supraconducteurs sont commercialisés pour des gammes allant jusqu'à 100 MW, mais sont peu utilisés encore dans les transports (bien qu'on en retrouve sur les TGV par exemple).

Les désavantages sont un coût élevé, une faible capacité de charge, et des courants à gérer par l'électronique de puissance élevés.

On devrait réentendre parler de cette technologie vers 2015.


On pourrait aussi envisager de stocker temporairement dans une bobine non supra conductrice. Voir les calculs ici, mais ils doivent être faux quelque part.

Les volants d'inertie

Merci à Michel Casaubon pour les infos qui suivent.

Le principe est de monter un alternateur moteur sur un lourd volant moteur. L'énergie est stockée dans le moment cinétique du volant. Si je donne de l'électricité, l'alternateur est en mode moteur et accélère la rotation, si je suis en mode générateur l'alternateur prélève de l'énergie au volant et sort de l'électricité.
Pour ne pas avoir de pertes par frottements, le volant tourne dans dans une enceinte sous vide (aérodynamique du volant) et utilise des paliers magnétique actifs (déchargent 10% de la batterie en 4 mois).

Comme l'énergie emmagasinée dépend du carré de la vitesse, plutôt que d'utiliser des matériaux denses comme le plomb on préfère utiliser des matériaux légers et à forte résistance mécanique comme la fibre de carbone ou le titane pour avoir des vitesses de rotations les plus élevées possibles.

Ce système est un peu dangereux dans le sens où un éclatement du volant (qui tourne à près de 200 000 tours/minutes) sous l'effet de la force centrifuge élevée enverrait des morceaux à plusieurs centaines de mètres...

Sinon la puissance massique du système est bien meilleure qu'une batterie, et une grande partie de l'énergie est restituée (en dessous d'une certaine vitesse, la puissance demandée ne pourra plus être fournie).

Même si l'usure d'un tel système est quasi nulle, la durée de vie est limitée par la fatigue du matériau qui va perdre sa résistance mécanique par fluage. Elle reste du moins très élevée.

Ils corrigent ainsi les défauts des batteries qui ont du mal à dépasser 5 ans et restent chères. La recharge peut aller très vite, et ne dépend pratiquement que de l'ampérage qui peut être appliqué au moteur.

Pour éviter les effets gyroscopique (une masse en rotation détourne l'inclinaison qu'on lui applique) les volants inertiels fonctionnent par paires tournant en sens inverse.

Cette technologie, qui était déjà mature à la fin des années 70, pourquoi n'est-elle toujours pas appliquée?

On est arrivé en 1990 ( aux USA) à faire rouler une voiture du genre de la Safrane sur 100km à 80 km/h de moyenne. Il lui restait à l'arrivée encore 70% de son énergie.

Les volants à inertie tournaient à 100 000 t/min.(nécéssitant des paliers magnétiques, cloches sous vide et tout le toutim) et l'on envisageait à l'époque la possibilité d'atteindre 300000t/min.

Sachant que l'énergie stockée par inertie est fonction du carré de la vitesse de rotation, ça en fait, des Kwh et des km parcourus! Le soir, (ou dans la journée, aux heures creuses) on recharge au courant de son garage.

- Avantages: Pas d'usure, pas de pollution ni de recyclage, technologie connue.

- Inconvénients:

1- Pas d'usure donc pas de production cyclique. L'industie devra s'adapter.

2- Un changement radical des industries automobiles (chaînes de montage des moteurs, des transmissions, et tout le reste) des fournisseurs de pièces, des commerces annexes (garagistes) qui est (peut-être) difficile à mettre en oeuvre.

3- En cas d'accident, un risque d'éclatement des cylindres contenant les volants à inertie qui feraient l'effet de bombes. (Ce problème est-il résolu?)

Les volants à inertie modernes n'ont pas besoin d'être très lourds. A 100 000 t/min, avec la relation de l'énergie cinétique 1/2 J oméga², l'énergie stockée par un volant de 3kg avoisine 8 kWh.

Dans Science et Vie N°952 de janvier 1997: l'article de Renaud de la Taille à propos des travaux de la sté Flywheels systems est édifiant. Ils ont fabriqué des moteurs électriques (pour lancer les volants) capables de développer une puissance de 4 kW, pesant 1,5 kg et pas plus gros qu'une chope.

Avec 16 volants, on accumule une énergie de 60 kWh pour une masse de 600kg.

Cela permet de faire rouler une berline 5 places à 90 km/h sur 400km!

Stockage d'air comprimé

Le principe est de compresser de l'air via un compresseur à moteur électrique, puis de faire tourner le compresseur en moteur pour faire tourner l'alternateur et récupérer l'énergie. Je ne connais pas le rendement d'un tel système.

Ce système permet de sortir une puissance élevée et de stocker une grande quatité d'énergie, comparativement aux batteries.

comparaison des différents systèmes de stockage

Avec les abréviations suivantes :
Pb = batteries au plomb
Ni = batteries Ni-XX
Li = batteries Li-XX
sup = supercondensateurs
bob = bobines supraconductrices
vol = volant d'inertie


Pb

Ni

Li

sup

bob

vol

Wh/kg

40

40-80

120-200

1-10

10MWh Poids?

1-10

Wh/l

100

100-350

100-450

3-10

?

7-17

W/kg

140-350

500-1400

600-3000

2000-10000

1 M

100-1000

nb cycles

200-1500

500-2000

300-1500

1 000 000

infini

10 000

%

70-85

70-80

85-95

95-100

90

90-95

€/kWh

35-190

400-1500

300-1500

1700-2300

élevé

?

Et pour donner quelques ordres de grandeur supplémentaires sur d'autres systèmes :
Accumulation d'énergie dans :
- un ressort mécanique : 0,2 Wh/kg
- air comprimé : 10 Wh/kg
- hydrogène 30kWh/kg, avec réservoir : 3 kWh/kg. Même avec un rendement de 50 % maxi d'une pile à combustible (soit 1,5 kWh/kg), ce système peut s'imposer comparé à l'essence (10 kW/kg à 30 % de rendement => 3kWh/kg).

Pour en savoir plus ...

Résumé des performances batteries lithium ion

http://cyclurba.fr/velo/733/Batterie-Lithium-Lipo-Li-ion-Lifepo.html

à suivre...


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