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Vieux 08/04/2009, 23h26   #8
Mik&Toy
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Par défaut 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)
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