Modélisation multiphysique de la source hybride

Technologies des batteries Li-ion

Les technologies Li-ion se différencient principalement par la composition de leur électrode positive, bien que la composition de l’électrode négative puisse aussi être un facteur de distinction [93]. L’électrode négative est composée de matériaux carbonés : graphite, carbones hydrogénés, carbones durs ou d’oxydes mixtes à base de vanadium amorphe, d’étain ou de titane [94]. Il existe ainsi plusieurs matériaux utilisés pour l’électrode positive, à base d’oxydes lamellaires, phosphates et spinelles. On trouve sur le marché trois principales familles de batteries lithium-ion [30].

La première correspond aux oxydes lamellaires, comme le dioxyde de cobalt (LiCoO2), dont la densité d’énergie est la plus élevée, ou le dioxyde de métaux composés comme le nickelmanganèse LiMnNiO4, nickel-cobalt-aluminium LiNiCoAlO2 (NCA), ou encore le nickelmanganèse-cobalt LiNiMnCoO2 (NMC). La deuxième famille correspond aux matériaux dits « spinelle » comme le lithium manganèse LiMn2O4 (LMS) où l’utilisation du Manganèse permet d’avoir des électrodes stables et à faible coût.

Par contre sa densité d’énergie est plus faible et la dissolution du manganèse dans l’électrolyte diminue fortement la durée de vie de cette batterie. Enfin, la troisième famille est représentée par les métaux de transition de phosphate comme le phosphate de fer LiFePO4 (LFP). Cette dernière offre un niveau de sécurité plus élevé et une meilleure tenue au vieillissement [7][95], mais la tension nominale étant plus faible, son énergie spécifique l’est également.

La comparaison (cf. Figure. II. 2) entre les principales technologies de batteries Li-ion est faite sur la base des caractéristiques suivantes : énergie spécifique, puissance spécifique, sécurité, performance, durée de vie et coût. Si différentes technologies cohabitent encore aujourd’hui, c’est parce qu’aucune d’entre elles ne sort véritablement du lot [30][95]. Figure. II. 2: Comparatif des différentes technologies de batterie li-ion [30] Chapitre II Modélisation multi-physique de la source hybride

Grandeurs caractéristiques des batteries Li-ion

Les principales grandeurs utilisées pour caractériser une batterie sont présentées dans cette partie et seront reprises dans les modèles proposés. A. Capacité (𝑪𝒃𝒂𝒕) De façon générale, la capacité d’une batterie est la quantité de charge électrique qu’elle est capable de restituer, après avoir reçu une charge complète, pour un courant de décharge constant, une température et un état de santé bien définis.

La capacité est exprimée en ampèresheures (Ah) : 𝐶𝑏𝑎𝑡 = ∫ 𝑖 𝑑𝑡 𝑡𝑓 𝑡𝑖 (II. 1) Avec : i l’intensité du courant de décharge de la batterie (A) ti et tf l’état initial et final correspondant à des critères donnés, (de tension en général). Par la suite on désignera par 𝐶𝑏𝑎𝑡_𝑛𝑜𝑚, la capacité nominale d’une batterie à l’état neuf donnée par les constructeurs et mesurée dans les conditions nominales.

Ces conditions correspondent à un protocole précis, en particulier de température et de régime de charge / décharge [30]. B. Régime de charge /décharge et limitations en courant Le cycle charge/décharge d’une batterie est évalué en fonction du régime de décharge. Par exemple, un régime de 3C pour une capacité de 40Ah signifie que la batterie sera théoriquement complètement déchargée en 20 minutes à un courant de 120 A.

D’autre part, pour la même capacité de 40Ah, un régime de 1/10C est obtenu avec un courant de décharge de 4A pendant dix heures [95]. Il est considéré comme une normalisation vis-à-vis de la capacité de la batterie. En général, les limites d’utilisation en courant d’une batterie sont spécifiées par les régimes de charge et de décharge. Il faut cependant noter que la capacité réelle accessible est variable selon les régimes de charge et de décharge.

Etat de charge (SOC)

L’état de charge ou SOC (State Of Charge) d’une batterie est le pourcentage de quantité résiduelle de charge estimée pouvant être restituée par rapport à la capacité totale de la batterie, dépendant de son état de vieillissement. C’est donc le pourcentage de la quantité de charge en Ampère-heure qui serait délivrée si une décharge était effectuée, depuis l’état de charge actuel jusqu’aux critères de fin de décharge prédéfinis[96]. Le SOC est exprimé en pourcentage et il est référencé à 100% quand le courant de recharge ne varie plus depuis deux heures (t0), pour une recharge à tension constante et température constante [97]. De façon normalisée, il correspond le plus souvent au ratio entre la capacité résiduelle et la capacité nominale actuelle (différente de 𝐶𝑏𝑎𝑡_𝑛𝑜𝑚 du fait du vieillissement) :

Résistance interne (𝐑Ω)

La résistance interne correspond à la somme de la résistance électrique des matériaux constituant la batterie (électrodes, connexions, électrolyte) et de celle liée aux réactions électrochimiques. Cette résistance dépend de nombreux paramètres comme la composition chimique de l’électrolyte, la température, l’état de charge, la qualité de connexion aux bornes de l’élément. D’une manière générale la résistance interne d’une batterie a tendance à augmenter avec la dégradation de son état de santé du fait de son vieillissement.

Il est par contre beaucoup plus difficile de donner une tendance de son évolution en fonction de son état de charge (SOC). E. Tension en circuit ouvert (𝐕𝐎𝐂𝐕) La tension à vide ou en circuit ouvert (Open Circuit Voltage : OCV) représente la tension continue d’une batterie en l’absence de charge ou de décharge et correspond à son potentiel d’équilibre. Elle dépend de son état de charge et de la température. La Figure. II. 3 montre un exemple d’évolution de celle-ci en fonction de son état de charge (SOC) à deux températures différentes.