9,8 kWh amovibles

L’objectif suivant a été de parcourir 140km que j’effectue plusieurs fois par mois en électrique. Avec les accus A123 9,2kWh j’étais obligé d’utiliser le moteur thermique essence pour ce trajet. A priori j’estimai à 80km la distance parcourue en ev, restait donc 60. Mais je souhaitais pouvoir parcourir cette distance même avec des conditions météo défavorables. J’ai donc pris une marge supplémentaire dans mes calculs.

De toute façon ajouter 70 accus A123 ne suffisait pas hélas. En estimant à 100Wh/km en conditions défavorables la consommation en sortie d’accus ne permettait de parcourir que 120km. Mettre 140 A123 devenait lourd (+75 kg) et encombrant. J’ai donc cherché d’autres accus.

Il se trouve que les 140 A123 déjà présents assurent parfaitement les besoins, en terme de puissance en charge et décharge. Je n’avais donc plus besoin de puissance mais seulement d’énergie. Il y a alors la solution d’ajouter des accus de format 18650 typés énergie. Après recherche j’ai adopté des LG 2,8Ah qui constituaient un bon compromis énergie/coût. On pouvait les acheter à 2$ pièce+port+taxes.

Lg2800

Au niveau masse, avec 43 kg+boitier on peut avoir 9,8kWh embarqués. L’encombrement est très réduit aussi. Pour comparaison les A123 avec 35 kg embarquent 4,5 kWh (Mais avec 4 kWh utilisables par contre). Ces accus sont alors à comprendre comme ayant comme but de ralentir le vidage des A123 durant ce trajet de plus de 2 heures. Il y a alors pas besoin de fournir de puissance.

En simplifiant les calculs, 100Wh/km à 55 km/h correspond à une puissance moyenne de seulement 5,5kW ! En supposant que chaque pack fournisse la moitié de l’énergie, les LG n’auront à fournir que 2,75 kW. Sur une tension moyenne de 190 volts on a seulement 14,5A à fournir. Ceci permet d’utiliser des connexions de faible section, les accus LG chaufferont peu, chacun sera traversé par 14,5/18=0,8A et il devient possible d’utiliser un petit convertisseur dc-dc entre les accus LG et les A123.

La première idée très intéressante a été de câbler les LG en HT, 52 en série et 18 en parallèle. 52 fait une plage de tension de 218 à 172 volts à vide. En ajoutant en série avec ce pack un convertisseur dc-dc qui ajoute sa tension, on arrive à celle des accus A123 qui varie de 240 à 210 volts.

Une photo avant d’insérer un isolant supplémentaire entre les groupes de 18 accus:

Lg_packde234

L’isolant c’est juste une sécurité supplémentaire en cas de très fort échauffement. Les accus ont une gaine orange isolante autour de leur boitier. Il y a donc deux isolants pour une différence de potentiel de 3 à 4,2 volts. En cas de très forte surchauffe on peut imaginer la fonte de ces 2 isolants. Le troisième assure une protection supplémentaire et retarde la transmission de la chaleur entre les accus et donc la jonction électrique qui créerait en plus un court-circuit source de chaleur supplémentaire. Les pattes de liaison en nickel pur ont une très faible section: 0,1mmx8mm. de plus il conduit trois fois moins bien le courant que le cuivre. 8 pattes de 0,8mm2 sont équivalentes à 2,1mm2 de cuivre. Le courant sera limité, le nickel va chauffer. Il assurera  le rôle de fusible ultime. Mais la température des accus n’a pas été calculée dans ce cas extrême. Ils ont un évent interne qui va libérer les gaz produits pour éviter une explosion.

Les 936 accus sont regroupés en 4 packs de 234 accus. La tension y est alors non dangereuse et varie entre 54 et 39 volts. Il est alors possible de connecter ses 4 packs soit en série (en roulant) soit en parallèle lors d’une recharge sur une alimentation de 48v classiquement réglable à +10% qui va limiter à 4,06 volts la tension d’une cellule, donc un peu en-dessous du maxi « raisonnable » de 4,2 volts. Ces LG acceptent jusqu’à 4,3 volts. Mais plus on s’approche de ce seuil et moins les accus accepteront de cycles. J’ai donc choisi de limiter majoritairement à 4,1 volts la recharge. La résistance interne de ce pack incluant les connexions en nickel est de 0,4 ohms à température de l’ordre de 20°C. C’est donc dix fois plus que le pack de 140 A123. En pratique, bien que parcourus par moins de 16A et ne subissant aucune recharge, ils vont chauffer un peu plus que les A123.

Convertisseur dc-dc

Le convertisseur choisi a une plage de tension de 18 à 36 volts et limite son intensité par construction tout seul. Il suffit de choisir le modèle ou d’en mettre 2 en parallèle ce que j’ai fait bien que l’été un seul de 320w suffit. Il limite aussi sa tension de sortie et dispose de plusieurs sécurités. Reste à alimenter ce convertisseur. L’astuce a été de brancher son primaire sur les accus LG ! donc en HT. Sur le marché la marque Meanwell très connue a justement plusieurs équipements qui peuvent être alimentés en HT DC au primaire et fournissent une tension DC en sortie. Mon choix a été la gamme HLG qui est en fait un driver de led, donc qui fournit un courant constant de 18 à 36 volts. En-dessous de 18 volts l’intensité diminue jusqu’à zéro, et au-dessus du maxi, 49 volts, il se désactive.

Le pack LG n’est connecté que s’il est assez chargé. En cas de recharge, s’il faut faire un choix, il faut toujours recharger en priorité les A123. Ainsi la sortie du convertisseur ne reçoit pas de polarité inversée. Si vous devez prévoir ce cas ajoutez une diode.

mwhlg_240h

 Les pertes sont extrêmement réduites. Car avec un rendement de 93% on a des pertes au maxi, en fin de trajet, de 36*14,5*7%=36 Watts ! tout en fournissant 2750 Watts. Seulement 1,3%. Ces pertes sont si réduites que le convertisseur n’a pas besoin de ventilateur. En automne la chaleur dégagée ne suffit même pas toujours à désembuer la lunette arrière.

 Le convertisseur dd-dc permet d’avoir des tensions différentes entre les 2 packs d’accus, n’étant pas de même technologie lithium, ils n’ont pas les mêmes courbes de décharge en fonction du temps. De plus ils n’ont pas les mêmes températures source de différence de tension. Les LG sont au lithium manganèse et les A123 au lithium nanophosphate. Les lithium phosphate ont un plateau de décharge vers 3,2-3,3 volts. Ce n’est pas le cas des LG.

Au début d’un trajet il y a donc une différence de tension qui diminue en cours de trajet et ré-augmente en fin.

L’hiver la différence de tension est plus nette, les A123 ayant une résistance interne plus forte ont plus de variations de tension en fonction des accélérations/freinages alors que les LG fournissent un courant quasi-constant.

Accus_lg_en_place

Les accus LG et, au dessus d’eux les 2 convertisseurs dc-dc sont installés contre les dossiers de la banquette AR. On aperçoit aussi le bms des accus A123, dans le sous-coffre. Les accus LG n’ont pas de bms. Je les charge très en-dessous du maxi de 4,3 volts et les décharge à plus de 3,3 volts. De temps en temps, tous les 6 mois par exemple, je vérifie qu’ils restent équilibrés.

Mais l’idée de base a été de prévoir d’autres usages pour ces accus. Ils ne doivent être embarqués qu’en cas de trajet assez longs, ce qui correspond à quelques jours par mois. Il vont être mis à contribution l’hiver pour effectuer un effacement de la consommation de mon habitation les jours dits « rouges » appelés également jours de pointe (ejp) (22 jours par an l’hiver quand il fait froid), ceux pour lesquels des centrales à flamme entrent en action. Ces jours là mon habitation fournira de l’énergie via ses panneaux solaires (car il y a une bonne corrélation l’hiver entre jours froids et présence du soleil ce qui correspond à un temps plus sec et continental) et n’en consommera pas durant la journée. Ils assureront aussi un rôle d’indépendance électrique, en cas de grosse panne sur le réseau l’hiver. Plusieurs jours sont possibles avec une seule charge des 9,8kWh.

9kWh embarqués

Ayant bien apprécié l’usage en mode ev, ayant constaté que l’hiver mes 4,5kWh ne me permettaient pas de parcourir les 40km qui me séparent de la grande ville la plus proche, j’ai décidé de doubler la capacité. Bien évidemment rouler en mode électrique évite tous les rejets nocifs directement pour les personnes situées à proximité du véhicule (oxydes d’azotes, hydrocarbures aromatiques polycycliques, particules de freinage etc…) et réduit drastiquement le CO² rejeté dans l’atmosphère. J’avais calculé qu’il y a 14 fois moins de CO²/km en électrique en comparant les rejets en mode essence et électrique avec le mix électrique Français. Mais comme mon habitation produit plus d’électricité photovoltaïque que n’en consomme ma Prius et ce depuis plusieurs années, le rejet CO² est maintenant quasi-nul.

Une des difficultés était de caser tous ces accus dans le même sous-coffre, tout en laissant le maximum de place possible derrière en cas de violent crash arrière et également pour avoir le moins de porte à faux en arrière de l’essieu arrière.

Ceci a donné la disposition suivante :

em_9kwh

Il y a 4 packs de 32 accus reliés 2 par 2 et un 5ème pack qui rentre impeccablement dans la roue de secours galette avec 12 accus. Au total 140 accus sous forme 2P70S (2 en parallèle et 70 en série). Ces accus faisant 16,5cm de côté ont pu être mis sur la tranche. C’est intéressant car ainsi leurs températures sont plus homogènes. Il reste assez de place pour refermer ce sous-coffre à l’aide du plancher livré avec la Prius.

Le bms est exactement le même, j’ai juste retiré les fusibles qui étaient parfois source de mauvais contacts. En cas de court-circuit ce serait la piste de circuit imprimé qui chauffera et se coupera. L’expérience de la version 4,5kWh m’a montré que les fils reliant le bms aux accus devaient être les plus courts possible, à cause de la chute de tension qui y règne lors de l’équilibrage. Cette chute peut fausser la tension lue et faire osciller le bms. Ceci augmente alors la durée d’équilibrage. Sur le pack de 12 cellules c’est un nouveau pcb (circuit imprimé) qui a été mis en place. Il sépare cette liaison aux accus en deux fils fins au lieu d’un gros, séparant le fil de mesure de la tension de celui du shunt. Ainsi il n’y a plus d’influence de l’un sur l’autre et la longueur des fils peut être bien supérieure. De plus étant plus fins ils peuvent assurer le rôle de fusible très près des accus. Voici la photo de ce bms qui gère 6 paires de cellules d’accu:

Bms6

L’ensemble a une masse d’environ 80kg, incluant les 140 accus, les boitiers, câblages, connecteurs, contacteur, fusible HT et support en cornière d’alliage alu.

Relier les accus 2 par 2 permet de disposer de plus de place pour le serrage des pattes. En effet sur 28 mm on n’a qu’un seul isolant électrique à placer plus 5 pattes alu dont 2 de serrage et 3 intercalaires, alors que pour un pack 4,5kWh sur 14 mm on doit disposer ce même isolant et les 3 pattes, dont 2  de serrage et une intercalaire.

Avec 8,2 kWh utilisables ma Prius a réussi à parcourir 100km en mode promenade dans ma campagne, soit 82 Wh/km. Ainsi il n’est plus nécessaire de remplir le réservoir au maxi. 25 litres suffiront. Ceci permet de réduire la masse maximum embarquée d’une quinzaine de kilos. De plus j’avais déplacé le cric+manivelle sous un siège avant. Ainsi la Prius n’est pas trop basse à l’arrière et il n’est pas besoin de changer les ressorts de la suspension arrière. Au niveau le plus en arrière, le becquet aérodynamique, elle est plus basse d’environ 12mm quand on met les accus, sans rien changer d’autre.

Janvier 2015, j’ai ajouté juste en sortie des accus nimh un connecteur sb120. Très utile il permet de déconnecter totalement les accus lithium sans que la « pieuvre » constituée du contacteur, fusible, câbles + et – et connecteurs sb50 soient alimentés.

Anderson120A_Nimh

Le premier pack : 4,5 kWh. Bms.

Courant Août 2011 j’ai assemblé 70 accus A123 dans 5 packs de 14 A123 chacun.

em_4.5kWh

 

Il est possible de les disposer dans l’avant du sous-coffre, 5 côte à côte.

La haute tension arrive et repart tout à gauche de la photo.

Les boitiers sont fabriqués en polycarbonate de 2mm plié à chaud (au fil chaud) plus une facade de 8mm en plexiglas.

Les 14 accus sont reliés par pattes en laiton+alu. Il y a 3 pattes pour relier les accus 2 par 2. Une patte alu avec 2 trous filetés M4, un accu, une patte en laiton percée avec le fil du bms brasé à l’étain, un accu, et une patte en alu serrée par 2 vis de 4x10mm à tête hexagonale et rondelle grower. Par dessus les 2 vis un capuchon en bois améliore la sécurité électrique et mécanique, il est légèrement enfoncé en force.

Entre chaque pack un connecteur anderson SB50 assure les liaisons des pôles plus et moins.

Avec cette conception il est impossible de travailler sous haute tension (230v continus c’est très dangereux si contact avec la peau. Les muscles risquent de se bloquer en position et le courant ne sera pas interrompu, avec hélas plus de 10mA. Le 230v alternatif peut être dangereux pour le coeur mais on a la possibilité de retirer rapidement les doigts). Il faut d’abord déconnecter latéralement les packs pour pouvoir les extraire.

Sur le dessus il y a le bms (battery monitoring system) qui surveille chaque cellule d’accu, à la fois en roulant et lors des recharges sur le secteur. Si une cellule monte à plus de 3,54 volts un shunt est mis à ses bornes pour dériver une partie du courant (0,3A) venant du chargeur et de la cellule elle-même. Dès qu’un shunt est placé la charge est interrompue jusqu’à un autre seuil de tension 3,5v où le shunt est retiré et la charge reprend.

Ainsi les accus qui arrivent en premier au seuil haut sont d’abord chargés au maxi puis légèrement déchargés. Les autres ne sont pas déchargés pendant ce temps. Ainsi, de proche en proche tous les accus arrivent au moins au seuil bas et la charge s’arrête alors, théoriquement tous les accus finissent à 3,50v.

Ce bms est issu de la conception de Peter Perkins (Uk).

Mais seuls les circuits esclaves sont utilisés, la liaison avec un ordinateur PC étant assurée en bluetooth. On assure ainsi une totale isolation électrique. De plus chaque tension est envoyée deux fois à suivre, permettant au PC de savoir si un parasite a éventuellement détérioré la valeur. On l’ignore alors et on reçoit 1/2 seconde plus tard un nouveau train de 70 tensions. C’est le PC qui demande le train de données au bms.

Les accus A123.

Le pack additionnel principal est constitué de: _20Ah

Accus lifepo4 dits nanophosphate, A123 20Ah de type poche (mais poches dures) 70 reliés en série chacun acceptant une plage de 2,5v à 3,65v. Temporairement 3,8v sont possibles d’autant plus qu’il faut distinguer la tension et le niveau de charge. Survolter un accu très brièvement ne va pratiquement pas le charger donc le surcharger. Mais maintenir cette surtension va les surcharger ce qu’il faut éviter à tout prix avec cette technologie. Les A123 vont gonfler ce qui est le début de leur fin. Car alors les électrodes ne seront plus étroitement en contact avec le séparateur ce qui va augmenter la résistance interne. Ils vont alors chauffer et petit à petit gonfler encore plus, un dégagement gazeux se formant à l’intérieur de cette poche qui est totalement hermétique. Pour de petits dégagements il est possible de les maintenir « pressés » ce qui obligera les gaz à se répandre sur les bords. Ceux-ci vont gonfler en périphérie mais cela ne changera pas la résistance interne.

En pratique on les charge jusqu’à 3,5v sur le secteur ce qui laisse un peu de place pour un freinage juste après la charge et on ne les vide pas quotidiennement en dessous de 2,9v environ pour la plus basse.

Avec 70 accus cela fait une plage de 245 volts à environ 210 volts. En pratique, sauf l’hiver, on roule avec une plage de 230 à 220 volts. Ce n’est que vers 220-215 volts que la tension chute bien plus rapidement.

En reliant les cellules d’accus 2 par 2 en parallèle et 70 en série on a donc un pack de 39,2Ah et 9,2 kWh embarqués dont 8,2 kWh utilisables. Leur masse est de moins de 70kg sans compter les connexions, boitiers et bms.

Ces accus au lithium phosphate sont d’une grande sécurité en cas de surchauffe. Le risque d’incendie est hyper réduit.

De plus comme leur résistance interne est très faible, ils ne chauffent quasiment pas dans l’usage qui en est fait, +10°C par trajet. Il n’y a donc pas besoin de les ventiler, du moins dans nos régions tempérées. Se méfier toutefois l’été si le véhicule est garé en plein soleil. Ils ne doivent pas monter à plus de 50°C. Prévoir un isolant métallisé contre les vitres et une légère ventilation pour éviter l’effet de serre.

A l’inverse l’hiver leur résistance interne augmente et augmente les pertes thermiques. On roule donc moins loin.

resistanceA123

L’hiver il faut se méfier des recharges. Il ne faut pas dépasser les limites définies par le fabricant car il y a risque de saturation définitive des électrodes ce qui se traduit par une perte de capacité utile irréversible.

Mais avec 140 accus la limite est très basse. Il faudrait laisser la voiture dehors pendant plusieurs jours par des températures inférieures à -10°C pour devoir diminuer la puissance de recharge. Je ne l’ai pas testé mais je pense que cela sera fait par bms+. Ma prius a droit à un garage dans lequel il ne gèle jamais. La Prius assurera le complément de freinage par les classiques freins à disque. Au fur et à mesure du roulage les accus vont se réchauffer et ainsi accepter plus de recharge.

Ces accus sont donnés pour un nombre de cycles avant de n’avoir plus que 90% de leur capacité initiale de plusieurs milliers ! ce en les vidant/remplissant au maximum. Or on ne les utilisera pas dans toute leur plage soit par limitations du système soit parce qu’on effectue des trajets de différentes longueurs entrecoupés de recharges. Il y a donc des recharges partielles.

Par contre ces accus étant de type poche, ils doivent être manipulés avec précaution, on peut les détériorer avec un objet coupant. Ils doivent donc être protégés par la suite des frottements. Dans certains cas j’ai inséré une simple feuille de papier sous eux, quand ils sont disposés à plat.

Les connexions de puissance sont effectuées par pattes de 30*8*3mm boulonnées par deux vis de M4. L’idéal est de se procurer des accus avec au moins des pattes de 6-8mm ce qui permet de placer les vis parallèlement aux accus, ce qui permet d’en extraire un seul au milieu d’un pack.

Première version avec 4,5 kWh, 5 packs de 14 accus disposés horizontalement:

em_4.5kWh

 

Version 9 kWh, 4 packs de 64 accus disposés verticalement et un 5ème pack de 12 accus horizontaux placé dans la roue de secours :

em_9kwh