Corrigé Etude : Embarquer de l'énergie - Eduscol
Voiture électrique pour la mobilité urbaine : Embarquer de l'énergie ? les
batteries- Lionel COMTET, Lycée Viette, Montbéliard Page 1. Etat de l'art sur les
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Embarquer de lénergie : les batteries
Fiche pédagogique. p2
Etat de lart.
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. p 3
Séquence pédagogique 1 : choix dune technologie en fonction dun parcours et étude économique de la solution retenue sur un véhicule réel.
p 6
Séquence pédagogique 2 : embarquer de lénergie sur la e-traction.
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I Fiche pédagogique.
Problématique : Comment dimensionner le type et la quantité dénergie électrique à stocker dans un véhicule électrique ? Quel est le coût dutilisation ? Comment quantifier lautonomie dun véhicule électrique ?________________________________________________________________________
Formation concernée : BAC STI2D spécialite Energie et environnement.
Partie du programme : 2 : Conception dun système.
2.1 : Approche fonctionnelle dune chaîne dénergie.
2.3 : Paramètres influant la conception.
2.5 : Critères de choix de solutions.
Connaissances nouvelles :
Structure fonctionnelle dune chaîne dénergie (niveau taxonomique 3).
Schéma de transfert dénergie (niveau taxonomique 3).
Efficacité énergétique active et passive dun système (niveau taxonomique 3).
Coût global dun système : consommation énergétique (niveau taxonomique 3).
Temps consacré à la séquence dapprentissage : 6 h00
Séquence réalisée en début de premier trimestre de Terminale.
Matériels nécessaire :
- Maquette e-traction.
- Multimètre.
- Pince ampèremétrique.
Travail en binôme.
Particularités :
- Travail avec accès de pièces sous tension (tension inférieure à 50 V).
- Formation à la sécurité électrique préalable conseillée.
- Formation aux appareils de mesure conseillée.
Etat de lart sur les batteries.
Dès les débuts de lautomobile, le véhicule électrique fut sujet à réflexion (en photo la « Jamais contente » première automobile électrique à dépasser les cent km/h). Le problème récurent et encore actuel est « comment stocker une quantité dénergie électrique suffisante dans le véhicule ». La solution utilisée de nos jours est laccumulateur électrochimique.
Laccumulateur électrochimique.
Les accumulateurs électrochimiques sont des dispositifs destinés à stocker lénergie électrique et à la restituer ultérieurement. C'est la modification chimique d'un mélange appelé "électrolyte" qui permet d'accumuler ou de restituer lénergie électrique.
Caractéristiques générales des accumulateurs électrochimiques.
Tension ou FEM (Force Electromotrice) en Volts (V) : fixée par le potentiel d'oxydoréduction du couple électrochimique utilisé (exemple : plomb acide), elle est de quelque volts pour une cellule. En pratique, comme des tensions plus élevées sont nécessaires (12V, 24V,
), il est nécessaire de mettre en série un certain nombre de cellules.
Charge électrique (ou capacité) en Ampère-heures (Ah) : la charge électrique peut sassimiler à une quantité délectrons. Lunité légale est le Coulomb (C) : 1 Coulomb est égal à 1 Ampère pendant 1 seconde.
Lénergie stockée en Wattheures (Wh). Lunité légale est le Joule (J) : 1 Joule est égal à 1 Watt pendant 1 seconde.
La puissance maximale en Watts (W) : que laccumulateur peut fournir en pointe sans se détériorer. Cette puissance ne peut être maintenue sans risque. Une équivalence à la puissance maximale est le débit maximum en Ampères (A).
Limpédance interne en Ohms (&!) : elle est assimilée à une résistance pure et limite le courant de décharge en transformant en pertes joules une partie de l énergie restituée.
Le courant de charge en Unité de Charge (C) : c est le rapport entre le courant de charge en A et la capacité en Ah. Le courant de charge est aussi exprimé en A. En général, cest aussi le courant nominal de décharge de laccumulateur.
Lénergie spécifique en Wattheures par kilogramme (Wh/kg) : est la quantité dénergie que peut restituer laccumulateur par rapport à sa masse. On parle aussi de densité massique en Ampère-heures par kilogramme (Ah/kg).
La densité dénergie en Wattheure par litre (Wh/l) : est la quantité dénergie que peut restituer laccumulateur par rapport à son volume. On parle aussi de densité volumique.
Létat de charge SoC (State of Charge) en % : exprime la capacité disponible de la batterie.
La profondeur de décharge DoD (Deep of Discharge) en % : exprime la capacité consommée de la batterie.
Valeurs numériques mettre SoC et DoD
Les différentes technologies.
Laccumulateur acide-plomb.
Electrodes :
Cathode (borne +) : Bioxyde de plomb (PbO2)
Anode (borne -) : Plomb (Pb)
électrolyte : Acide sulfurique (H2SO4).
Tension de base de cellule : 2 V.
Variation entre 1,75 V et 2,15 V.
Utilisation : Batterie auxiliaire et de démarrage automobile rechargée par un alternateur, Engins de manutention et petits véhicules (poids < 600 kg), stockage de l'énergie produite par intermittence, comme l'énergie solaire ou éolienne,
Inconvénients majeurs : cause de dégradation si décharge complète, oxydation des électrodes si manque délectrolyte.
Laccumulateur Nickel-Cadmium.
Electrodes :
Cathode (borne +) : hydroxyde de nickel
Anode (borne -) : hydroxyde de cadmium
électrolyte alcalin : hydroxyde de potassium (KOH) : potasse, soude et lithine
Tension de base de cellule : 1,2 V.
Variation en entre 0,85 V et 1,3 V.
Utilisation : premières versions des véhicules électriques, ferroviaires, systèmes de secours avionique, matériel électroportatif,
Interdit depuis 2006 pour les applications portatives.
Inconvénients majeurs : Mauvaise tenue dans le temps sans utilisation, effet mémoire.
Laccumulateur Nickel-Métal Hydrure.
Electrodes :
Cathode (borne +) : hydroxyde de nickel
Anode (borne -) : hydrure métallique + hydrogène
électrolyte alcalin : hydroxyde de potassium (KOH) : potasse, soude et lithine
Tension de base de cellule : 1,2 V.
Variation en entre 0,9 V et 1,35 V.
Utilisation : véhicules électriques et hybrides, matériel électroportatif,
Inconvénients majeurs : Mauvaise tenue dans le temps sans utilisation, effet mémoire.
Laccumulateur Lithium.
Accumulateur Lithium-Ion :
Cathode (borne +) : Oxyde de Cobalt + Lithium
Anode (borne -) : Graphite + Lithium
électrolyte : sel de Lithium en solution dans un solvant organique
Accumulateur Lithium-Phosphate :
Cathode (borne +) : Phosphate de fer en général ou Magnésium
Anode (borne -) : Carbone
électrolyte : sel de Lithium en solution dans un solvant organique
Accumulateur Lithium-Polymère :
Cathode (borne +) : Oxyde de manganèse + Lithium
Anode (borne -) : Graphite + Lithium
électrolyte : Polymère + solvants + antioxydants
Accumulateur Lithium-Métal Polymère :
Cathode (borne +) : Oxyde de vanadium, Polymère, Carbone
Anode (borne -) : Lithium métal
électrolyte : Polymère + sels de Lithium
Tension de base de cellule : 3,6 V.
Utilisation : équipements portables, proto et petite série de véhicules
Avantages majeurs : aucun effet mémoire, faible autodécharge, pas de maintenance, batterie pouvant prendre des formes fines et variées (Lithium-Polymère), faible poids, plus de cycles de vie.
Inconvénients majeurs : lélectrolyte liquide présente des dangers si une fuite se produit et que celui-ci entre en contact avec de l'air ou de l'eau avec risque de brûlures ou dexplosions (Lithium-Ion), charge soumise à des règles strictes sous peine de risque d'inflammation (Lithium-Polymère), fonctionnement optimal à température élevée (Lithium-Métal-Polymère).
Séquence pédagogique 1 : choix dune technologie en fonction dun parcours et étude économique de la solution.
Objectif : à partir dun profil de parcours, on demande de dimensionner lénergie à embarquer dans le rack batteries du véhicule F-City, de choisir une technologie et de réaliser une étude économique.
Cahier des charges :
Masse du véhicule hors batterie : 400 kg
Puissance maximale batterie : 24 kW
Profondeur maximale de décharge : 80 %
Puissance moyenne accessoires (feux, chauffage, essuie glace,..) suivant utilisation : 250 W
Autonomie souhaitée : 100 km
Tension du rack : 72V DC
Trajet du parcours référence dans la ville de Montbéliard (25) dune distance de 10,6 km et dune durée de 23 minutes :
On donne ci-dessous la distribution de puissance relevée au niveau de lessieu lors du parcours. Les puissances négatives correspondent aux phases de récupération dénergie.
Distribution de puissance
EMBED Excel.Chart.8 \s
Le rendement de la chaîne dénergie est identique quel que soit le mode de transfert de lénergie et est égal à 77 %.
Calcul de lénergie embarquée dans le rack batterie.
Calculer la puissance moyenne fournie par la batterie Pbat pour le parcours.
Calculer lénergie nécessaire Wbat1 en kWh pour réaliser le parcours.
Dimensionner lénergie Wbat2 nécessaire pour lautonomie kilométrique désirée en prenant le même parcours et la même distribution de puissance.
En déduire lénergie totale Wt (autonomie + accessoires) nécessaire.
Pour des raisons de garantie « constructeur », on tolère une profondeur de décharge maximale de 80%, calculer lénergie Wrack du rack batterie.
Choix de la technologie du rack batterie.
Le choix technologique dune batterie nécessite de connaître la puissance spécifique (W/kg) et lénergie spécifique (J/kg).
On prendra lénergie minimale du rack batterie égale à 14,4 kWh, calculer lénergie spécifique Ws sachant que la masse est de 300 kg.
Connaissant la puissance maximale du rack batterie (cahier des charges), calculer la puissance spécifique Ps.
Le diagramme de Ragone ci-dessous permet de choisir la technologie des modules du rack batterie.
Placer le point de fonctionnement sur le diagramme ci-dessus et en déduire la technologie à employer sur le véhicule.
Choix dune référence.
Le choix sest porté vers une technologie Ni-Mh.
A laide de la documentation constructeur « Saft » page suivante, préciser la référence dun module et indiquer le nombre à utiliser.
Etude économique.
Sachant que lénergie électrique consommée par le véhicule pour une autonomie de 100 km est de 10,2 kWh, calculer le coût de lénergie avec un prix du kWh égal à 11c¬ TTC.
Etant donné qu un véhicule urbain à moteur diesel consomme en moyenne 6 l pour 100 km et que le prix du carburant diesel est de 1,4 ¬ / litre, calculer le coût pour l autonomie souhaitée puis comparer votre résultat à la question précédente.
Modification de la technologie des accumulateurs.
Le constructeur souhaite proposer plusieurs versions afin de diversifier sa clientèle. On donne ci-dessous les caractéristiques daccumulateurs de différentes technologies.
(On conserve lautonomie de 100 km avec une énergie embarquée de 14,4 kWh).
Pb-acideNi/MH HEEnergie spécifique (Wh/kg)3560Puissance max (kW)2424Prix (¬ /kWh)150250
Calculer la masse des batteries pour les 2 cas.
Une des versions retenue par le constructeur est un véhicule à technologie Pb-acide. Quelles seront les incidences de ce choix par rapport au cahier des charges initial du véhicule.
Voiture électrique pour la mobilité urbaine : Embarquer de lénergie les batteries- Lionel COMTET, Lycée Viette, Montbéliard Page PAGE \* MERGEFORMAT 8
Rack
batterie
Moteur
fin
début
Un courant de charge de 0,2 C correspond à 0,2 A pour une capacité de 1 Ah ou à 4 A pour une capacité de 20 Ah et dans les 2 cas à une charge de 5 h. Formule
Q = I x t
Q en Ah, I en A et t en h
1 Ah = 3600 C
W = U x I x t
W en J, U en V, I en A et t en s
1 Wh = 3600 J
P = U x I
P en W, U en V et I en A
HYPERLINK "http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Jamais_contente.jpg"
(kW)
SoC = 100 - DoD
Hawker (C5) : 35 Wh/kg, 90 Wh/l
Saft Ni-Cd (0,3 C) : 80 Ah, 6 V, 63 Wh/l, 43 Wh/kg
Saft Ni-Mh (0,3 C) : 137 Wh/l, 66 Wh/kg, 150 W/kg
Valence technology : Lithium-Phosphate 148 Wh/l, 91 Wh/kg
Masse totale avec batterie NiMh : 640 kg 100 km autonomie
Masse totale avec batterie Pb : 810 kg 79 km autonomie (même parcours, mêmes conditions)
Le Plomb-acide coûte moins cher que le NiMh mais lautonomie diminue du fait de laugmentation de masse.
Pb acide : m = 410 kg
Ni-MH : m = 240 kg
Coût voiture diesel = 8,40./N[tý + / 1 2 3 4 5
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