Soutenance mémoire
Batterie au Lithium
Cellule Lithium
L’architecture d’une cellule Lithium et d’une cellule Nickel Cadmium sont très similaires. Elles sont constituées d’une anode, d’une cathode, d’un électrolyte et d’un séparateur. À l’aide du fluide (électrolyte), les ions circulent entre les deux électrodes tout en passant à travers le séparateur (situé entre les deux électrodes). Les électrons circulent entre la cathode et l’anode via le circuit électrique extérieur, ce qui engendre un courant électrique. La batterie se décharge lorsque les ions vont de l’anode vers la cathode et se recharge de la cathode vers l’anode.
Anode
L’anode est principalement constituée de couches de carbones où les ions vont s’intercaler lorsque la cellule se recharge. De plus, afin de faciliter la conduction, des fines couches de cuivre sont insérées dans l’anode. Le cuivre possède le même potentiel électrochimique que le carbone c’est pourquoi ce matériau est introduit dans l’électrode négative. L’amélioration de la conduction permet de réduire la résistance interne de la batterie ainsi que de limiter l’augmentation de la température dans la cellule.
Cathode
La cathode est un matériau poreux constitué de trois couches. L’électrode est formée de lithium, de polymère et d’un conducteur. La cathode est l’électrode la plus développée, il existe différents types de cathodes pour la batterie au lithium (Li Cobatlt, Li-Manganese, LiPhosphate, etc. …).
Séparateur
Le séparateur est généralement constitué de plastique et dispose de quatre fonctions majeures :
• Permet d’éviter un contact entre les deux électrodes.
• Permet de laisser passer les ions circulant dans l’électrolyte.
• Résiste à d’éventuelles pénétrations entre les deux électrodes afin d’éviter une importante décharge.
• Facilite le fonctionnement des cellules dans des températures élevées. Si l’on réduit l’épaisseur du séparateur tout en gardant ses propriétés physiques, cela permettrait d’augmenter la densité énergétique de la cellule.
Électrolyte
L’électrolyte est constitué de lithium et d’un solvant organique. Lors de la création de l’électrolyte, il y a trois facteurs à prendre en compte :
• La forte conductivité ionique;
• La performance dans un panel de températures définies;
• La stabilité dans un certain rang de tensions.
Batteries Lithium
Architecture d’une batterie
Une batterie est un ensemble de cellules reliées les unes aux autres. L’architecture des accumulateurs peut varier. Les cellules peuvent être connectées en parallèle; en série ou en parallèle et en série. Selon la configuration, la batterie ne délivrera pas la même tension ou le même courant. Lorsque l’on connecte deux cellules en parallèle, on additionne les courants de chaque cellule, cependant la tension de la batterie est égale à la tension d’une cellule. Toutefois si nous connectons deux cellules en série, on additionne les tensions, mais le courant reste le même.
SOC, DOD, Capacité
L’état de charge de la batterie (SOC) représente le niveau de charge à un instant précis, exprimé en pourcentage. Ce niveau est comparé à la charge maximale de la batterie. (100% est le niveau maximal de charge et 0% correspond à une décharge complète de la batterie). Chaque cellule possède son SOC. La batterie possède également son propre SOC. La profondeur de décharge (DOD) mesure ce qui a été consommé de l’état de charge. Généralement cela s’exprime en Ah, mais on peut également l’exprimer en pourcentage. Le DOD est un complément du SOC. Lorsque la batterie a été complètement déchargée, le SOC est à 0% et le DOD est à 100%.
La capacité d’une batterie (exprimée en Ah) représente la quantité d’énergie qu’elle est capable de fournir après avoir été complètement chargée. La capacité (exprimée en Ah) d’une batterie est égale au DOD (exprimé en Ah) lorsque cette dernière est complètement déchargée. La capacité nominale de la batterie est généralement fournie par le fabricant. Lorsque l’on décharge la batterie à un faible courant, la tension est égale à la tension du circuit ouvert de l’accumulateur (OCV). Lorsque la batterie atteint le niveau de tension de coupure, elle est complètement déchargée. Cependant lorsque l’on décharge à de forts courants, la résistance interne va augmenter. La tension atteindra donc plus rapidement le niveau de tension de coupure, cependant cela ne veut pas dire que la batterie est complètement déchargée. Dans cette situation, il est important de calculer la résistance interne pour estimer l’OCV qui nous permettra donc d’arrêter la décharge ultérieurement. Si la tension descend en dessous de ½ de l’OCV cette méthode ne marche pas.
Performance
L’Étude des performances d’une batterie dépend de son utilisation. Si l’on veut utiliser une batterie pour stocker de l’énergie solaire nous n’aurons pas les mêmes attentes que si nous voulions l’utiliser pour un ordinateur portable.
Lorsque nous utilisons des batteries pour un champ de panneaux solaires, les batteries vont permettre d’ajuster l’approvisionnement énergétique du réseau électrique en fonction de la demande. Tandis qu’une batterie d’ordinateur va être utilisée pour alimenter la partie électronique. Pour un ordinateur, nous voulons qu’elle prenne le moins de place possible et qu’elle puisse nous fournir une autonomie suffisante.
Pour l’énergie solaire, nous portons moins d’importance à la place qu’elle va occuper, nous voulons dans un premier temps qu’elle fournisse une grande puissance et qu’elle ait une forte capacité énergétique. De plus, les contraintes environnementales ne seront pas les mêmes, les facteurs à analyser ne seront donc pas similaires (Exemple: Température, humidité, etc. …).
La batterie que nous allons étudier est une batterie de grande densité énergétique. Cette batterie servira à démarrer un groupe auxiliaire de puissance dans un avion, communément appelé APU. L’APU demande un pic de 800A pour que l’on puisse la démarrer. Nous voulons donc savoir si l’accumulateur sera capable de fournir ces pics de courant tout au long de son cycle de vie.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 ÉTUDE DES NOTIONS GÉNÉRALES DES BATTERIES AU
LITHIUM
1.1 Batterie au Lithium
1.1.1 Cellule Lithium
1.1.2 Batteries Lithium
1.1.2.1 Architecture d’une batterie
1.1.2.2 SOC, DOD, Capacité
1.1.3 Performance
1.1.4 Vieillissement
1.1.5 Système de gestion de batterie (BMS)
1.1.5.1 Fonction principale
1.1.5.2 Recharge
1.1.5.3 Limites du courant
1.1.5.4 Limites de tension
1.1.5.5 Limites de températures
1.1.6 L’intégration des batteries au lithium dans le monde de l’aéronautique
CHAPITRE 2 ÉNUMÉRATION ET APPLICATION DES NORMES DANS
L’AÉRONAUTIQUE
2.1 Les problèmes rencontrés par Boeing
2.2 Normes instaurées par l’Administration Fédérale d’Aviation (FAA)
2.3 Propositions de tests spécifiques supplémentaires
2.3.1 Détection d’un court-circuit
2.3.2 Emballement thermique
2.4 Étude des performances des batteries
2.4.1 Théorie
2.4.2 Les différentes méthodes utilisées
CHAPITRE 3 ÉLABORATION D’UN BANC D’ESSAI
3.1 Cahier des charges
3.1.1 Scénario de vol
3.2 Fonction de la batterie
3.3 Caractéristiques techniques de la batterie au lithium
3.3.1.1 Caractéristiques électriques
3.3.1.2 Caractéristiques mécaniques
3.4 Mise en place du laboratoire
3.4.1.1 Liste d’équipements
3.4.1.2 Schéma fonctionnel
3.4.2 Circuit électrique
3.4.3 Capteurs et enregistrement des données
3.5 Tests
3.5.1 Algorithme d’un vol type
3.5.2 Tests de vibrations
CHAPITRE 4 ANALYSE DES RÉSULTATS ET CONCORDANCES AUX
NORMES
4.1 Pré-tests
4.2 Premiers vols
4.3 Observations
4.3.1 Influence de la température sur la tension en circuit ouvert
(SOC à 70%)
4.3.2 Influence de la température lors d’un démarrage d’APU (SOC initial à
40%)
4.3.3 Tension de la batterie lors des démarrages d’APU à des SOC différents
4.3.3.1 Chute du SOC pendant un démarrage d’APU avec des
températures distinctes
4.3.4 Temps de recharge après un APU
4.3.5 Transfert thermique
4.4 Problèmes rencontrés
4.4.1 Transition entre deux vols (20 minutes au sol, Batterie S1)
4.4.2 Alarme de température
4.4.3 Température négative
4.4.4 Instabilité du SOC
4.4.5 Tests de vibration
4.5 Conclusions
4.5.1 Résultats des tests
4.5.1.1 Tests à – 40°C
4.5.1.2 Tests à -20°C
4.5.1.3 Tests entre 0°C et 50°C
4.5.1.4 Tests à 70°C
4.6 Bilan des tests et dispositifs de sécurité instaurés
4.6.1 Alarmes
4.6.2 Courant de décharge
4.6.3 Tension de la batterie et des cellules
4.6.4 État de charge
4.6.5 Alarme de Température
4.6.6 Trou d’évacuation
4.6.7 Chargeur intégré dans le circuit électronique
4.6.8 Étude du système de protection de la batterie
CHAPITRE 5 INTERPRÉTATION DES RÉSULTATS ET PROPOSITIONS DE
SIMULATION DE TEST PRÉLIMINAIRE
5.1 Analyse des données
5.1.1 Résistance interne
5.1.2 Estimation de l’état de charge
5.1.2.1 Le coulomb couting
5.1.2.2 Méthode du circuit ouvert
5.1.3 Simulation thermique à partir de SimPowerSystems
5.1.3.1 Le modèle thermique
5.1.3.2 Simulation du modèle thermique
CONCLUSION
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