Les super-condensateurs - Le Futur des systèmes hybrides ?

DoubleHybride

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Comme vous le savez il y a les partisans des hybrides Plug-in et les anti-plug-in (en particulier les :sad: lobbies pétroliers)

Toyota, c'est clairement exprimé à ce sujet comme anti plug-in pour la Prius pour 2 raisons:

- Une question de communication commerciale bâtie sur le principe d'une voiture électrique que l'on n’a pas besoin de recharger
- Une question de durabilité de la batterie qu'il garantisse 8 ans mais avec une plage d'utilisation de 30% de la capacité de la batterie MIMH.

Les spécialistes de la traction électrique affirment que pour des questions de sécurité, la batterie haute tension dans les véhicules a vécu pour des questions de sécurité "post-accident".

La tendance c'est au "42 Volts" pour l'automobile. Pourquoi 42 volts, car cette tension brute c'est la limite au-delà de laquelle elle peut être létale pour un humain. Le cas de la mise à la casse des véhicules est pris très au sérieux. Imaginer par exemple des gamins qui dans un champ ont trouvé une vielle 4L (sans danger et si c'était une vielle Prius...), j'ai été gamin et je me rappelle très bien des bêtises que j'ai pu faire avec de vielles épaves de voitures...

Toyota a montré avec la Prius II que l'on peut avoir une batterie de 201,6 volts et un moteur en 500 volts. La voie est donc ouverte à la limitation de tension de la batterie.

La baisse des tensions implique une augmentation des intensités et donc des pertes par effet joule.

Les super-condensateurs sont une réponse à cet inconvénient, en plaçant des super-condensateurs près de l'utilisateur de l'énergie (la carte élévatrice de tension) on peut limiter les pointes d'intensité entre batterie et consommateurs.

Les super-condensateurs ont un rendement bien meilleur qu'une batterie, il n'y a donc plus la problématique de rechercher le point neutre après un "pulse and glide" pour faire des records de consommation. Un labo de l'université de Stanford a simulé qu'un véhicule hybride non Plug-in pourrait baisser sa consommation de carburant en remplaçant la batterie chimique (MIMH Lithium ou autre) par une batterie de super-condensateurs.

Toyota semble intéressé par cette approche et l'on peut imaginer qu'une future Prius III soit équipée par des super-condensateurs en lieu et place de la batterie. Le super-condensateur étant également un composant très adapté au dispositif d'augmentation de tension de puissance. De plus le prix des super-condensateurs est bien parti pour s'effondrer dès qu'ils seront produits en masse.

Concernant la Prius Plug-in c'est un autre débat qui passe par une batterie autre que le MIMH dont les cycles charge/décharge complet sont limités à 500 !

Pour en s'avoir plus sur la densité énergétique des batteries comparées aux super-condensateurs c'est ici. :jap:
 

Blackdress

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Passionnant en effet.

En revanche j'avais cru comprendre que BMW avait abandonné au contraire l'idée des supercondensateurs utilisés dans le prototype X3 hybride au profit d'une solution commune avec d'autres constructeurs donc moins chère mais aussi moins performante.

A priori ce serait pourtant aussi des batteries :-o
 

ceif2001

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La production de supercondensateurs en France est opérationnelle

La production de supercondensateurs en France est opérationnelle

Source : http://www.electronique.biz/editori...ercondensateurs-en-france-est-operationnelle/

Selon cette source, la société française Batscap, filiale du groupe Bolloré, située à Ergué-Gabéric, près de Quimper, vient de lancer officiellement son unité de production industrielle de supercondensateurs pour un investissement de 36 millions d'euros.
La production serait de 1 million d'éléments par an qui pourraient être utilisés entre autre par les constructeurs de véhicules hybrides.
 
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Ageasson

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....COCoRICO ! :bravo:
 

Le Forgeron

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Quand on veut noyer son chien on l'accuse d'avoir la rage...

Je passe sur la sécurité "post-accident", sinon il faudrait interdire l'essence liquide (ou même le GPL) dans les véhicules: suffit de regarder le nombre de films où les voitures explosent ou prennent feu... Une énergie facilement libérable est généralement cause facile de catastrophe en l'absence de régulation en état normale de fonctionnement.
La machine à vapeur (modèle automobile d'il y a quelques siècle) a un problème d'explosion avec projection de la cuve en métal (et en morceaux) si la soupape de sécurité ne fonctionne pas. Même en alimentant avec que des bûches, ça serait dangereux.
Le seul souci avec l'électricité, c'est que ça ne se voit pas, contrairement à un feu ouvert.

La tendance c'est au "42 Volts" pour l'automobile. Pourquoi 42 volts, car cette tension brute c'est la limite au-delà de laquelle elle peut être létale pour un humain.


Mes vieux souvenirs de physique me disent: La tension brûle, l'intensité tue.
On peut très bien tuer avec du 12 volt... et avec une batterie de diesel n'est même pas nécessaire. Vu même le système corporel humain, on doit pouvoir tuer rien qu'avec du 2 volt (et un ampérage suffisant... en application autour du coeur en traversant la poitrine). Les sources d'intensité sont heureusement assez rare pour que ce problème ne se rencontre pas souvent (on préfére les source de tensions, qui se régule en intensité sur la charge résistive du circuit).

L'intérêt du 42 volts (continu), c'est que les isolations nécessaires pour le classique 48 volts de l'industrie sont beaucoup moins contraignantes que l'isolation de tension plus forte (l'épaisseur du materiau isolant est moindre, la tension de claquage du diélectrique plus facile à avoir au dessus de la tension utilisée pour beaucoup de matériaux plastiques servant d'isolant, et donc des prix moindres pour le fabricant, sans oublier l'espacement entre les piste sur circuit imprimé qui est plus faible également).
(on dit merci aux standards internationaux sur le sujet des isolations).

Mais c'est quand même (42V), 3 fois et demi plus qu'une batterie de 12 volts au plomb qui est déjà capable de faire des trous dans une carosserie si vous laissez tomber (de loin...) une clef plate sur la borne + et le reste de la voiture à la borne -. Quand un tel trou (avec éclair qui va bien) ne prend qu'un instant à faire dans de l'acier pas super fin non plus, vous pensez vraiment que votre corps résistera mieux ?

Et l'idée des super-condensateurs, c'est pire: le nombre de coulomb est moindre, mais la résistance interne est tellement plus faible que lors de la mise en court-circuit, l'intensité est beaucoup plus importante (moins longtemps, mais le pic est plus haut).

Par contre, on sait faire "presque à température ambiante" des supraconducteurs... ce n'est pas encore utilisable pour faire des lignes d'alimentation sur pilône, mais pourquoi ne pas en mettre dans une voiture ?
Et alors mettre tout les éléments en paralléle: une voiture éléctrique en 1,2V!

Faudrait voir si le seuil des 20°C a été dépassée et à quel coût (un minimum de 50°C devrait convenir pour les pays nordiques... pour les zones plus proches de l'équateur, ça va être un peu plus chaud).
 

DoubleHybride

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Mes vieux souvenirs de physique me disent: La tension brûle, l'intensité tue.
On peut très bien tuer avec du 12 volt...
Ne pas confondre la tension de la source de l'energie et la tension appliquée au corps humain.
La résistance interne du coprs humain ne permet pas de faire circuler une intensité léthale par le coeur avec moins de 48 volts de tension continue.

Mais tu peux trés bien tuer avec une pile de 1,5 volts, il suffit d'une bobine qui par effet de self qui va augmenter la tension si tu as suffissement d'intensité disponible en 1,5 volts (par exemple avec des capacités).

Si tu touches les 2 bornes d'une batterie 12 ou 24 volts avec tes mains il ne se passera rien. Si tu fais la meme choses avec la batterie du Kangoo ou de la Prius tu reste collé et tu y passe.

C'est à ce niveau que le seuil des 48 volts a été déterminé.

Dans tous les cas avec de forte intensité tu peux te bruler, exemple clé à molette sur les 2 bornes d'une batterie 12 volts. Tu peux recevoir des projections de métal fondu, voir de l'acide suite à l'explosion de la batterie (hydrogène). C'est autre chose et c'est pour cela que l'on met des fusibles.
 
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Mik&Toy

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Comparaisons électriques

Comparaison entre la batterie NiMh de la Prius II, un Super Condensateur UltraCap ECOS, et un accumulateur au Lithium-Fer

Note Modo: cette feuille de calcul à été mise au point grace aux conseils éclairés de Shadoko


Des élements de stockage "prometteurs" sont désormais en vente pour le grand public. Je me suis donc procuré un échantillon de deux d'entre-eux afin de voir de près ce qu'il en ressortait.
Les comparaisons ci-dessous sont effectuées pour une capacité de 40% utile pour la batterie NiMh, de 85% pour la batterie LiFe et de 90% pour le super-condensateur (sa tension décroissant linéairement et le convertisseur associé ne permettant pas de la décharger à fond).

La batterie NiMh "Prius":
- composée de 168 éléments au Nickel-Métal-Hydrure de tension nominale 1.2 V
- charge totale de 6.5 Ah sous 202 V, soit une énergie de env. 1300 Wh (= 6.5 x 202)
- charge utilisable réduite à 40% (de 40% à 80% de son niveau max) = 2.7 Ah , énergie utilisable = 520 Wh
- puissance maximum de 20 kW (= 100 A sous 200 V)
- poids de 35 kg , 39 avec le boitier
- énergie spécifique "utile" de 15 Wh/kg (= 520 Wh / 35 kg)
- densité de puissance de 570 W/kg (20 kW / 35 kg)

L'élément UltraCap de 1200 Farad sous 2.5 Volt supportant 300 Ampère en décharge :
- 1200 F chargé sous 2.5 V représente une charge de 1200 x 2.5 = 3000 Coulomb soit 0.8 Ah (=3000 / 3600)
- charge totale de 0.8 Ah sous 2.5 V , soit une énergie de 1 Wh (1/2 x 0.8 Ah x 2.5 V)
- charge utilisable réduite à 90% (valeur estimée) soit 0.72 Ah, d'où une énergie disponible de 0.9 Wh
- puissance au maximum de la charge = 750 W (= 300 A sous 2.5 V)
- poids de 400 g
- energie spécifique "utile" de 2 Wh/kg (= 0.8 Wh / 0.4 kg)
- densité de puissance de 1875 W/kg (750 / 0.4)

si on veut atteindre la tension de la batterie avec des UltraCap en serie,
il en faudra au moins 80 éléments (= 200 / 2.5)
- charge totale identique de 0.72 Ah mais sous 200 V, soit une énergie de 72 Wh (1/2 x 0.72 x 200)
- puissance maximum disponible de 60 kW (= 300 A x 200 V)
- poids de 32 kg (=0.4 kg x 80)

on atteint de cette façon avec les UltraCap, pour un poids semblable,
3 fois la puissance maximum admissible de la batterie NiMh,
mais seulement env. 14% de son énergie (72 Wh au lieu de 520 Wh)

Si on voulait obtenir avec les UltraCap approxitivement la même énergie que la batterie NiMh,
il faudrait donc mettre en parallèle au moins 7 batteries de 80 élements (pour un poids de 224 kg)

On est donc amené par cette technologie des super-condensateurs à priviligier l'effet "ressort" (super-accélération de F1) au détriment de la distance parcourue en éléctrique.

nota: au tarif actuel pratiqué pour des particuliers, cet UltraCap est affiché à l'unité au prix de 185 €, ce qui ferait sans réduction le pack de 80 à 15 000 €.

*nb2: autre manière de calculer la mise en série de condensateurs :
pour 80 unités de 1200 Farad en serie on obtient une capacité équivalente de 15 F (= 1200 / 80)
Ces 15 F sous 200 V contiennent la même charge de 15 x 200 = 3000 C



autre variété récente de cellule d'accumulateur :
L'élément Li-ion-Fer-nanophosphate de tension nominale de 3.3 V supportant 60 A en décharge et 10 en charge
- charge totale de 2.3 Ah sous 3.3 V, soit une énergie de env. 7.6 Wh (= 2.3 Ah x 3.3 V)
- il faut respecter en décharge une tension minimum de 2,5 V
- charge utilisable de 2 Ah , énergie utilisable = 6.6 Wh (= 2 Ah x 3.3 V)
- puissance maximum de 200 W (= 60 A sous 3.3 V)
- poids de 90 g (360 g les 4, avec emballage de protection et connecteurs)
- énergie spécifique "utile" de 84 Wh/kg (= 7.6 Wh / 0.09 kg)
- densité de puissance de 2200 W/kg (200 / .09)

si on veut atteindre la tension de la batterie Prius avec des Li-Fer en serie,
il en faudra 60 éléments (200 / 3.3 = 60,6 , arrondi par pack de 4)
et si on veut atteindre les 100 A en décharge, en mettre deux séries en parallèle, soit 120 en tout, donc :
- charge utilisable de 4 Ah sous 200 V, soit une énergie de 800 Wh (4 Ah x 200 V)
- puissance maximum disponible de 24 kW (= 120 A x 200 V)
- poids de 11 kg (= 120 x 0.09 kg + boitier)

on atteint de cette façon avec les Li-Fer, pour un poids 3 fois moindre,
une puissance maximum admissible légèrement supérieure à celle de la batterie NiMh de la Prius,
avec un supplément d'énergie utilisable de 50 % (800 Wh au lieu de 520 Wh)

nota 1: au tarif actuel pratiqué pour des particuliers en boutique de modélisme, cet accumulateur Li-Fer est affiché
en pack de 4 (13.2 V) au prix de 98 €. On peut aussi acheter un pack de 36 V de chez Dewalt (poids 1.1kg) pour 336 €,
ce qui ferait sans réduction le pack de 120 (10 x 12) à env. 3400 €.

nota 2: Pour un poids semblable à la batterie NiMh, on peut accoler deux autres batteries identiques permettant aux 6
batteries de 60 éléments (360 éléments au total) de fournir une charge de 12 Ah sous 200V et une énergie de 2400 Wh pour un poids de 33 kg et au prix de env. 10 000 €

nota 3 : cette piste semble prometteuse, moyennant une diminution du prix de vente

nota 4 : cette solution est déjà utilisée sur des vélos à assistance électrique, et permet de passer à la propulsion électrique sur les maquettes volantes.

photo : les packs 12V nanophosphate et leur chargeur, avec cordon d'équilibrage obligatoire. (charge standard 8 A, décharge d'entretien 5 A)
 

Palm35

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Sol Pack IPA 2006, Kangoo Electri'cité, C-Zéro
très intéressant ce post...
Par contre tu ne parle pas de la 'masse volumique' (je ne sais pas si c'est la bonne expression !)
c'est à dire que tu dis qu'il faut 80 éléments de Ultracap pour arriver à la même tension que la batterie actuelle de la Prius pour à peu près le même poids (35kg versus 32kg) mais quel sera le volume de ces UltraCap par rapport au volume de la batterie de la Prius ?
 

Mik&Toy

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Tu as raison de poser cette question, Palm35 :
les ultracap citées occupent un volume de 0.318 L pour un poids de 400 g, soit une densité de 1.25. Pour le pack de 80 çà tient dans env. 26 L pour les 32 kg.
Pour les LiFe, on à 0.260 L pour 360 g (pack de 4), soit une densité de 1.38. Pour le pack de 90 x 4 cellules, ça ferait env. 24 L pour les 33 kg.
 

Prius_jeff

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Comme vous le savez il y a les partisans des hybrides Plug-in et les anti-plug-in (en particulier les :sad: lobbies pétroliers)

Toyota, c'est clairement exprimé à ce sujet comme anti plug-in pour la Prius pour 2 raisons:

Mais alors, pourquoi tous ces tests avec EDF?? :eek: Double langage?
 

ket

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Comparaison entre la batterie NiMh de la Prius II, un Super Condensateur UltraCap ECOS, et un accumulateur au Lithium-Fer

Note Modo: cette feuille de calcul à été mise au point grace aux conseils éclairés de Shadoko

pour les paresseux comme moi un petit tableau récapitulatif (avec les prix) de ce test de comparaison très intéressant :) eut été le bienvenu.
 

Mik&Toy

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Oui, je m'attendai bien à cette question, mais en ce qui concerne les prix, on est est encore qu'aux prémices de commercialisation, on divise par deux tous les ans ou même plus rapidement, et pour la technique aussi.
Mon approche n'est qu'un bouchon sur l'océan, un point d'observation très limité dans le temps. et je préfère en rester là et éviter un tableau qui tenterait à faire croire que la chose est entendue telle que je la présente.
 

doumbzh

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Mais alors, pourquoi tous ces tests avec EDF?? :eek: Double langage?
Les test concernent une future PRIUS III et, je pense, sont plus ou moins contraints par les futures éventuelles obligations "zéro émission" dans les centres villes.
 

doumbzh

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bon ben moi j'ai rien dit du coup...:-D
 

Mik&Toy

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Merci à Croco78 pour son lien à propos de la fabrication ds batteries lithium-Ion, l'industriel Batscap réalise également des super-capacités.
 

poncet

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C'est clairement ce qui manque à la Prius. Non pas en remplacement de la batterie principale, mais en complément. Comme sur la B0 de Bolloré-Pininfarina.

Car ce qui limite les performances de la Prius en électrique (notamment son incapacité à accélérer fortement en mode EV) ce n'est pas le moteur : à basse vitesse, il devrait avoir un couple plus élevé que le moteur à essence. Mais cela demanderait sans doute une intensité trop forte à la batterie.

Des supercondensateurs permettraient de résoudre le problème, en faisant office de "tampon" entre la batterie et le moteur électrique. Comme la batterie, ils stockeraient l'électricité lors du freinage et la restitueraient lors de l'accélération. Aux supercondensateurs de "lisser" les flux d'énergie à court terme, à la batterie de lisser les flux à moyen terme.

Bon ceci dit, je fais de la théorie en chambre. Le logiciel ne serait peut-être pas si simple à mettre au point... on peut imaginer que l'intensité de charge (ou décharge) de la batterie soit fonction du taux de charge (ou décharge) des supercondensateurs, mais pour un truc vraiment efficace il faudrait en plus prévoir un couplage série ou parallèle de la batterie et des condensateurs, selon la charge de l'un et de l'autre et de l'appel de courant... bref, y'a de quoi s'amuser...
 

genfutures

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Très intéressant.
A mon avis, l'échauffement moteur ne sera pas un gros problème si la capacité des super condensateurs est faible, c'est à dire si on ne les utilise que pour un bref coup de rein (genre 5 secondes).
Mais je pense que leur plus gros intérêt serait d'augmenter la puissance (et donc l'énergie) récupérée lors de freinages intenses en lissant le pic de puissance à ingérer par l'accumulateur.
En résumé ce serait un petit bonus en agrément, et un avantage sensible en rendement urbain ou en montagne.
 
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