Embarquer de l'énergie

Embarquer de l'énergie : les batteries I- Fiche pédagogique.
p2 II- Etat de l'art.
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p 3 III- Séquence pédagogique 1 : choix d'une technologie en
fonction d'un parcours et étude économique de la solution
retenue sur un véhicule réel.
................................................ p 6 IV- Séquence pédagogique 2 : embarquer de l'énergie sur la e-
traction. .......................... p 13
I Fiche pédagogique.
|Problématique : Comment dimensionner le type et |
|la quantité d'énergie électrique à stocker dans |
|un véhicule électrique ? Quel est le coût |
|d'utilisation ? Comment quantifier l'autonomie |
|d'un véhicule électrique ? |
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Formation concernée : BAC STI2D spécialité Energie et environnement. > Partie du programme : 2 : Conception d'un système.
2.1 : Approche fonctionnelle d'une chaîne
d'énergie.
2.3 : Paramètres influant la conception.
2.5 : Critères de choix de solutions.
Connaissances nouvelles :
- Structure fonctionnelle d'une chaîne d'énergie (niveau
taxonomique 3).
- Schéma de transfert d'énergie (niveau taxonomique 3).
- Efficacité énergétique active et passive d'un système (niveau
taxonomique 3).
- Coût global d'un système : consommation énergétique (niveau
taxonomique 3).
Temps consacré à la séquence d'apprentissage : 6 h00 Séquence réalisée au 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. I. Etat de l'art sur les batteries.
Dès les débuts de l'automobile, 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 d'énergie électrique suffisante dans le
véhicule ». La solution utilisée de nos jours est l'accumulateur
électrochimique.
a. L'accumulateur électrochimique.
Les accumulateurs électrochimiques sont des dispositifs destinés à
stocker l'énergie électrique et à la restituer ultérieurement. C'est la
modification chimique d'un mélange appelé "électrolyte" qui permet
d'accumuler ou de restituer l'énergie électrique.
a. 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 s'assimiler à une quantité d'électrons. L'unité légale
est le Coulomb (C) : 1 Coulomb est égal à 1 Ampère pendant 1 seconde. . L'énergie stockée en Wattheures (Wh). L'unité légale est le Joule
(J) : 1 Joule est égal à 1 Watt pendant 1 seconde. . La puissance maximale en Watts (W) : que l'accumulateur 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). . L'impédance 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, c'est aussi le courant nominal de
décharge de l'accumulateur.
. L'énergie spécifique en Wattheures par kilogramme (Wh/kg) : est la
quantité d'énergie que peut restituer l'accumulateur par rapport à sa
masse. On parle aussi de densité massique en Ampère-heures par
kilogramme (Ah/kg). . La densité d'énergie en Wattheure par litre (Wh/l) : est la quantité
d'énergie que peut restituer l'accumulateur par rapport à son volume.
On parle aussi de densité volumique. . L'état 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. . L'accumulateur 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 d'électrolyte. . L'accumulateur 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. . L'accumulateur 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. . L'accumulateur 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 : l'électrolyte 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
d'explosions (Lithium-Ion), charge soumise à des règles strictes
sous peine de risque d'inflammation (Lithium-Polymère),
fonctionnement optimal à température élevée (Lithium-Métal-
Polymère).
I. Séquence pédagogique 1 : choix d'une
technologie en fonction d'un parcours et étude
économique de la solution.
Objectif : à partir d'un profil de parcours, on demande de
dimensionner l'énergie 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 ho