Batteries Lithium ion pour véhicules électriques Mohamed CHAKIR Pilote Innovation Batteries et Chimie du Solide Renault M. Chakir RENAULT – M. Chakir UET Batteries Avancées PROPRIETE RENAULT C O N FID E N TIE L 02/04/2015 SUMMARY 01 02 03 04 M. Chakir UET Batteries Avancées Introduction Les batteries Li-ion La ZE Renault Les batteries Lithium ion du future C O N FID E N TIE L 2 01 M. Chakir UET Batteries Avancées Introduction C O N FID E N TIE L 3 Un peu d’histoire… Véhicules électriques Production série Flottes et prototypes Li-ion 1000 vehicles 500 vehicles Ni-Cd Ni-Cd Li-ion Li-ion 5 vehicles Dauphine 1960 Li-ion Li-ion Express 19961999(500) Plomb Parc automobile: Véhicules hybrides 1/3 Electrique 1/3 Essence 1/3 Vapeur 1900 M. Chakir UET Batteries Avancées (production série) Ni-MH Prédominance du moteur thermique 1997 2011 2000 PROPRIETE RENAULT C O N FID E N TIE L 02/04/2015 Li-ion 4 2014 Comparaison des technologies majeures de batteries M. Chakir UET Batteries Avancées C O N FID E N TIE L PROPRIETE RENAULT CONFIDENTIEL 02/04/2015 Version 2015 5 Du micro hybride au Véhicule électrique : différents niveaux d’électrification Puissance Plug-in Hybrid (PHEV) Pure EV (Li-ion) (boost, freinage récupératif, 20-50Km en mode électrique) 80kW -100% Toyota Prius (2012) Full Hybrid HEV (Li-ion/NiMH) Toyota Auris (boost, freinage récupératif,2-5 Km en mode électrique) 10kW Mild Hybrid (boost, freinage récupératif) 42V system Honda Civic - 5% 1kW HV system Stop&Start 14V system Véhicule conventionnel R9M 100 Wh 1 kWh 10 kWh 20 kWh Gain CO2 M. Chakir UET Batteries Avancées C O N FID E N TIE L PROPRIETE RENAULT CONFIDENTIEL 02/04/2015 Version 2015 6 Énergie Utilisable/ Autonomie 02 M. Chakir UET Batteries Avancées Les batteries Li-ion C O N FID E N TIE L 7 Composition d’une batterie Li-ion Séparateur Collecteur du courant: Cu Collecteur du courant Al Li + Electrolyte Anode Cathode Matériaux actifs: Anode, Cathode, Electrolyte, Autres matériaux: Séparateur, Liant, Packaging, Collecteur M. Chakir UET Batteries Avancées C O N FID E N TIE L 8 Composition d’une batterie Li-ion: La cathode En charge : capable de recevoir 1 ou plusieurs ions Li+ (oxydation) En décharge: phénomène inverse Grandes Familles des matériaux d’électrode positive: Lamellaire (LCO, 5V, NMC, NCA,…) Spinelle (LMO, LNMO,…) Polyanionique: Olivine LiMPO4, LiMSO4 Autres. M. Chakir UET Batteries Avancées C O N FID E N TIE L 9 Les matériaux d’électrodes négatives: L’anode Graphite et carbones non graphitiques (le plus utilisé) Oxydes d’éléments de transition CoO, Co3O4, NiO, CuxO, MnO, Cr2O3, FeO,… MxO + 2Li+ + 2e- Li2O + Mx0 nano, 600-800 mAh.g-1 potentiel de Charge entre 1 et 1.5 V vs. Li+/Li. => Conversion et non insertion Titanates : Li4Ti5O12, TiO2, … Métaux formant des alliages binaires avec le lithium => Al, Si, Sn, Ge, Pb, Sb, Bi Sn-Co-C Sn (993 mAh/g) Silicium (2800mAh/g) M. Chakir UET Batteries Avancées C O N FID E N TIE L 10 General: Batteries Lithium design cylindrical Prismatic Coin cell Prismatic tin M. Chakir UET Batteries Avancées C O N FID E N TIE L Structure d’un pack batterie : exemple de la Zoé Raw materials : Chemistry Electrode design Battery System Cooling system Cell design Upper case BMS Service plug Modules Module design Connection box M. Chakir UET Batteries Avancées Lower case PROPRIETE RENAULT C O N FID E N TIE L 02/04/2015 03 M. Chakir UET Batteries Avancées La gamme ZE Renault C O N FID E N TIE L 13 La gamme ZE Renault Fluence ZE Kangoo ZE ZOE Twizy 2011 M. Chakir UET Batteries Avancées 2012 C O N FID E N TIE L 14 KANGOO Z.E. Energie utile 22kWh Puissance max 54kW Tension nominale 360V Poids pack 260kg Pack batterie 2 stacks 1. Prise de charge 2. Junction Box / boitier d’interconnection et chargeur 3. Electronique de puissance 4. Moteur électronique 44kW 5. Réducteur 6. Battterie Li-ion M. Chakir UET Batteries Avancées 48 modules (2S2P) 192 cellules C O N FID E N TIE L PROPRIETE RENAULT CONFIDENTIEL 02/04/2015 Version 2015 15 Fluence Z.E. Energie utile 22kWh Puissance max 88kW Tension nominale 360V Poids pack 280kg 3 stacks de 16 modules 1- prise de charge 2- boitier d’interconnexion et chargeur 3- Onduleur et convertisseur de puissance DC/DC 4- Moteur électrique 5- Réducteur 6- pack batterie 7- Tableau de bord VE 8- Compresseur de climatisation 9- Module de chauffage 10- Pompe à vide freinage 11- Batterie 14V 12- refroidissement batterie M. Chakir UET Batteries Avancées 48 modules-192 cellules C O N FID E N TIE L PROPRIETE RENAULT CONFIDENTIEL 02/04/2015 Version 2015 16 ZOE Energie utile 22kWh Puissance max 80kW Tension nominale 360V Poids pack 280kg Système de refroidissement (par air) 1- prise de charge 2- boitier d’interconnexion et chargeur 3- Onduleur et convertisseur de puissance DC/DC 4- Moteur électrique 5- Réducteur 6- pack batterie 12 modules (8S2P) 7- Tableau de bord VE 8- Compresseur de climatisation 9- Module de chauffage 10- Pompe à vide freinage 192 cellules 11- Batterie 14V 12- refroidissement batterie M. Chakir UET Batteries Avancées C O N FID E N TIE L PROPRIETE RENAULT CONFIDENTIEL 02/04/2015 Version 2015 17 Système de stockage d’Energie : Architecture Electrical energy storage system Hosted functions in other ECUs Structural components (casing, modules, crash protections …) BMS Thermal circuit Cells Thermal manageme nt system (air/water) 12V system Vehicle mechanical structure HV circuit (relays, busbars, SDSW, ground …) Other HV systems (epowertrain, DC/DC, charge, heating, cooling…) M. Chakir UET Batteries Avancées C O N FID E N TIE L PROPRIETE RENAULT 02/04/2015 18 Enjeux des batteries VE Introduire et développer pour l’automobile les meilleures chimies Li-ion Développement de BMS Faciliter l’intégration dans nos plateformes (compacité, crash, thermique …) La sécurité est prise en compte à toutes les étapes du cycle de vie de la batterie M. Chakir UET Batteries Avancées PROPRIETE RENAULT C O N FID E N TIE L 02/04/2015 04 M. Chakir UET Batteries Avancées Les batteries Lithium ion du future C O N FID E N TIE L 20 Batteries Lithium pour EV: Next-generation technologies Next-generation technologies delivering higher specific energy M. Chakir UET Batteries Avancées C O N FID E N TIE L Merci de votre attention M. Chakir UET Batteries Avancées PROPRIETE RENAULT C O N FID E N TIE L 02/04/2015