LES BATTERIES

1
LES BATTERIES   Lionel ROUÉ Institut National
de la Recherche Scientifique Département
Énergie, Matériaux et Télécommunications
Varennes, Québec, CANADA
2
Sommaire

• Historique
• Le marché des batteries
• Concepts de base
• Les facteurs influençant les performances dune
  batterie
• Généralités sur les batteries primaires et
  secondaires
• Les batteries primaires
• - la batterie alcaline Zn/MnO2
• Les batteries secondaires
• - La batterie Ni-MH
• - la batterie Li-ion
• - la batterie Li-air
• Les véhicules hybrides et électriques

3
SUPPORTS BIBLIOGRAPHIQUES

• Livres
• Handbook of Batteries (3d. Ed., 2002,
  McGraw-Hill Inc) by David Linden Thomas B.
  Reddy
• - Advanced batteries materials science aspects
  (2008, Springer) by Robert A. Huggins
• Journaux
• Journal of Power Sources
• Journal of The Electrochemical Society
• Sites web
• batteryuniversity.com
• mpoweruk.com

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                   History of battery
development 
1800 Volta (Italy) Invention of the voltaic cell
1802 Cruickshank (England) First electric battery capable of mass production
1820 Ampère (France) Electricity through magnetism
1833 Faraday (England) Announcement of Faradays Law
1836 Daniell (England) Invention of the Daniell cell
1859 Planté (France) Invention of the lead acid battery
1868 Leclanché (France) Invention of the Leclanché cell
1888 Gassner (USA) Completion of the dry cell
1899 Jungner (Sweden) Invention of the nickel-cadmium battery
1901 Edison (USA) Invention of the nickel-iron battery
1947 Neumann (France) Successfully sealing the nickel-cadmium battery
Mid 1960 Union Carbide (USA) Development of primary alkaline battery
Mid 1970   Development of valve regulated lead acid battery
1990 1991   Sony (Japan) Commercialization nickel-metal hydride battery Commercialization Li-ion battery
1992 Kordesch (Canada) Commercialization reusable alkaline battery
1999   Commercialization lithium-ion polymer
Alessandro Volta
Volta discovered in 1800 that a continuous flow
of electrical force was generated when using
certain fluids as conductors to promote a
chemical reaction between the metals or
electrodes. This led to the invention of the
first voltaic cell, better know as the battery.
Volta discovered further that the voltage would
increase when voltaic cells were stacked on top
of each other.
5
LE MARCHÉ DES BATTERIES
- marché en pleine croissance - fin des années
40 0.5 milliards de /an - début des années
80 10 milliards de /an - 1995 25
milliards de /an - 2005 gt50 milliards de
/an - croissance actuelle associée à la
multiplication des systèmes électroniques
portables (téléphones, ordinateurs,...) -
émergence de nouveaux marchés (véhicules hybrides
et électriques)
6
World battery demand (millions of U.S. dollars)
Source The Freedonia Group. (2006)
2000 2005 2010 (expected) Annual growth () Annual growth ()
2000 2005 2010 (expected) May 2000 October 2005
World battery demand 38,300 52,600 73,600 6.6 6.9
North America 10,325 12,100 15,250 3.2 4.7
Western Europe 9630 11,400 13,950 3.4 4.1
Asia/Pacific 12,850 21,300 33,100 10.6 9.2
Other regions 5495 7800 11,300 7.3 7.7

7
Alkaline batteries dominate the primary battery
market. Others primary batteries are lithium and
zinc-air.
Lead-acid accounts for half the demand of
rechargeable batteries. This battery is mainly
used for automotive and stand-by applications.
Lithium-ion batteries lead the demand in
powering portable devices. The market for
nickel-cadmium, on the other hand, is shrinking.
This chemistry will be replaced with
nickel-metal-hydride.
8
Li-ion battery manufacturers
Global battery manufacturers
The top Japanese suppliers held 60 of the market
in 2004, but new contenders from other countries
in Asia are making strong in-roads. BYD Battery
Co. Ltd. in China is an example of a major new
global battery producer. LG Electronics Inc. and
Samsung Electronics Co. Ltd. in South Korea are
following. These companies are gaining ground due
to low pricing and improving quality. The USA
and Europe mainly produce specialty batteries for
defense and industrial applications
Liste des fabricants de batteries
http//energy.sourceguides.com/businesses/byP/batP
/batt/batt.shtml
9
Amélioration importante des performances des
batteries au cours des années
La batterie idéale nexiste pas encore. gt RD
très active 1) amélioration des performances
des batteries existantes (augmentation du ratio
matériau actif/matériau inactif, amélioration
efficacité batteries dans conditions
dutilisation drastiques, mise au point de
nouveaux matériaux, élimination des composés
toxiques...) 2) mise au point de nouvelles
batteries (lithium-air, micropiles à
combustible,...)
10
BATTERIE
- dispositif convertissant directement lénergie
chimique contenue dans les matériaux actifs de la
batterie en énergie électrique via une réaction
doxydo-réduction --gt processus
électrochimique - constituée dune ou plusieurs
cellules électrochimiques connectées en série
et/ou en parallèle
11
chaque cellule est constituée de
circuit externe

-
séparateur
électrolyte
électrode positiveaccepte électrons en décharge
électrode négative donne électrons en décharge
12
ELECTRODES - légères - peu coûteuses - facile à
fabriquer - stable - bon conducteur
électronique - capacité élevée (Ah/g) -
différence de potentiel élevée (V) ELECTROLYTE -
solide ou liquide - bon conducteur ionique -
isolant électronique - inerte vis à vis des
électrodes - propriétés peu modifiées par
variation de température - peu coûteux SÉPARATEUR
- sépare lanode de la cathode gt empêche
court-circuit - perméable à lélectrolyte
13
représentation dune cellule électrochimique
convention en décharge, électrons vont de la
gauche vers la droite gt oxydation à lélectrode
de gauche anode gt réduction à lélectrode de
droite cathode
e-
CATHODE
ANODE
A B-
RED1 ---gt OX1 z e
OX2 z e- ---gt RED2
14
potentiel de cellule (f.e.m.)
convention E cellule E cathode - E anode
(décharge)
e-
-

Cl2
cations
Zn
anions
Cl-
Zn2
E0 -0.76 V/ENH
anode Zn ---gt Zn2 2 e-
cathode Cl2 2 e- ---gt 2 Cl-
E0 1.36 V/ENH
cellule Zn Cl2 ---gt Zn2 2 Cl-
? E0 1.36 - (-0.76) 2.12
Volts
15
notion de spontanéité
notion de réversibilité
si le sens de la réaction de cellule peut être
inversé batterie rechargeable batterie
secondaire accumulateur si la réaction de
cellule est irréversible batterie
non-recheargeable batterie primaire pile
16
capacité théorique dune cellule
quantité totale délectricité impliquée dans la
réaction de cellule (sexprime généralement
en Ah/g de matière active)
Zn -----gt Zn2 2 e- QA nF/M 2 X
96500 / 65.4 2951 Coulombs / g (A.s/ g)
0.82
A.h /g soit 1.22 g /Ah Cl2 2 e- ---gt 2
Cl- QC nF/M 2 X 96500 / 71 2718 Coulombs
/ g (A.s/ g)
0.76 A.h /g soit 1.32 g /Ah
Zn Cl2 ----gt ZnCl2 Q (1.22 1.32)
g/Ah 2.54 g/Ah soit 0.394 Ah/g

17
densité dénergie théorique dune cellule
Energie (Wh/kg) voltage (V) x capacité
(Ah/g)
Zn Cl2 ----gt ZnCl2 Q 0.394
Ah/g Eo 2.12 V densité dénergie théorique
de la cellule 2.12 x 0.394 0.835 Wh/g
835 Wh/kg
Densité de puissance dune cellule
Puissance (W/kg) Energie (Wh/kg) / durée
dutilisation (h)
18
le processus de charge/décharge dune
supercapacité seffectue en qq secondes contre
plusieurs heures dans le cas dune batterie
gt supercapacité forte densité de puissance
mais faible densité dénergie
19
Classification des batteries
1) batteries primaires (non-rechargeables) -
principaux avantages prix faible, densité
dénergie élevée (aux faibles courants de
décharge), auto-décharge faible, pas de
maintenance, utilisation facile. - principales
applications jouets, lampes, appareils
photographiques,... 2) batteries secondaires (
rechargeables) - principaux avantages
rechargeable, cinétique de décharge élevée,
bonnes performances aux basses températures, -
principales applications voitures, ordinateurs
et téléphones portables 3) batteries de réserve
(non-rechargeables, exigent une phase
dactivation) - principaux avantages pas
dautodécharge (idéale pour stockage long-terme
dans conditions sévères) - principales
applications missiles, torpilles, balise de
détresse,...
20
(No Transcript)
21
(No Transcript)
22
Energie théorique vs Energie pratique

• Énergie théorique
• énergie maximale
• uniquement basée sur la quantité de matériaux
  actifs dans la batterie

• basée sur un décharge complète de la batterie
• considère que E réel E théo

gt capacité réelle ltlt capacité théorique
23
énergie réelle 20-30 énergie théorique
24
Facteurs influencant les performances dune
batterie 1) le voltage
densité dénergie (Wh/kg) voltage (V) x
capacité (Ah/g) ? quand V , densité
dénergie
E E0 - ? (?ct)a (?c)a ? - ? (?ct)c (?c)c
? - iRi
E0 potentiel théorique
?ct surtension dactivation (transfert de
charge)
?c surtension de concentration (transfert de
masse)
Ri résistance interne de la pile i courant
appliqué
25
E E0 - ? (?ct)a (?c)a ? - ? (?ct)c (?c)c
? - iRi
26
(No Transcript)
27
(No Transcript)
28
Facteurs influencant les performances dune
batterie 2) le courant appliqué
I courant de décharge appliqué (mA/g) C
capacité nominale (mAh/g)
n I / C
C-rate
une décharge réalisée à une vitesse de décharge
nC délivrera sa capacité nominale en n-1 h
ex si la capacité nominale dune batterie est de
100 mAh/g - une vitesse de décharge de 2C
seffectuera en imposant un courant de 200 mA/g -
une vitesse de décharge de C/2 seffectuera en
imposant un courant de 50 mA/g
29
la capacité dune batterie décroit quand le
courant de décharge augmente
30
(No Transcript)
31
Facteurs influencant les performances dune
batterie 3) la température
32
Facteurs influencant les performances dune
batterie 4) mode de décharge
33
Facteurs influencant les performances dune
batterie 5) le design
-maximiser le rapport surface/volume des
électrodes gain en puissance - minimiser volume
et poids morts gain en densité dénergie
34
(No Transcript)
35
Smart battery
36
nomenclature internationale des batteries
code du système électrochimique
nb. de groupe de cellule en parallèle
4LR25-2
code des dimensions
nb. de cellules en serie par groupe
code de la forme
- batterie constituée de 2 groupes de cellules
en parallèle. - chaque groupe est constitué de
4 cellules en série. - les cellules sont du
type L ( Zn/MnO2), de forme R ( cylindrique),
de dimension 25 ( diamètre 32 mm, hauteur 91 mm)

37
(No Transcript)
38
choix dune batterie
- rechargeable ou non, batterie de réserve ? -
voltage ? - capacité ? - puissance ? - courant de
décharge appliqué ? - durée de la décharge ? -
décharge continue ou non ? - environnement
dutilisation (T, P, humidité,...) ? - durée de
stockage ? - encombrement (poids, volume)?-
sécurité ? - maintenance ? - prix ? -....
39
(No Transcript)
40
(No Transcript)
41
(No Transcript)
42
les batteries primaires sont moins performantes
aux courants de décharge élevés
43
les batteries primaires sont plus sensibles à la
température
44
les batteries secondaires sont plus sensibles à
lautodécharge
45
BATTERIES PRIMAIRES
46
(No Transcript)
47
(No Transcript)
48
(No Transcript)
49
La batterie primaire (Zn/KOH/MnO2)
e-
K,OH-
K,OH-
Zn
MnO2
Zn(OH)2
MnOOH
Zn(s) / Zn(OH)2(s), KOH(aq) // KOH(aq), MnO2(s) /
MnOOH(s)
50
les réactions électrochimiques
cathode - MnO2 H2O e- ----gt MnOOH
OH- - en fin de décharge 3 MnOOH e-
----gt Mn3O4 OH- H2O anode - en début
de décharge Zn 4 OH- ----gt Zn(OH)42-
2 e- - Zn 2 OH- ----gt Zn(OH)2
2 e- ZnO H2O
51
Réaction globale - à 1 e- par mole de MnO2
2 MnO2 Zn 2 H2O ---gt 2 MnOOH
Zn(OH)2 - à 1,33 e- par mole de MnO2 3
MnO2 2 Zn ---gt 2 Mn3O4 2 ZnO
potentiel de circuit ouvert 1.5-1.75
V potentiel moyen durant la décharge 1.2 V
réaction parasite Zn 2 H2O ---gt Zn(OH)2
H2 - augmentation pression interne dans la
pile - perte de matière active gt - addition
dinhibiteurs organiques ou métalliques -
réduction des impuretés du Zn - formation
dalliage ou damalgame de Zn
52
Les différents constituants de la pile
53
(No Transcript)
54
(No Transcript)
55
BATTERIES SECONDAIRES
56
(No Transcript)
57
(No Transcript)
58
(No Transcript)
59
(No Transcript)
60
La batterie secondaire Ni-MH
Applications
Performances
60
61
e-
charge
e-
décharge
KOH
KOH
MH
NiOOH
Ni(OH)2
M
MH(s) / M(s), KOH(aq) // KOH(aq), NiOOH(s) /
Ni(OH)2(s)
62
les réactions électrochimiques
EN DÉCHARGE cathode NiOOH H2O e-
----gt Ni(OH)2 OH- E0 0.52
V/ENH anode MH OH- ----gt M H2O
e- E0 -0.83 V/ENH réaction globale MH
NiOOH ----gt M Ni(OH)2 E0 1.35 V

63
Les différents constituants de la pile
cathode - Ni(OH)2 80 pds. - Co(OH)2 2
pds. - graphite 18 pds. Anode hydrure
metallique MH - bonne capacité dhydruration ( à
T amb. et P atm.) - cinétique dhydruration/deshyd
ruration rapide - résistant à loxydation -
résistant à la décrépitation
64
Hydrures métalliques pour batteries Ni-MH
capacité théorique (mAh/g)
LaNi5
TiNi
Mg2Ni
ZrCr2
ex MmNi3.6Co 0.7Al 0.3Mn0.4 capacité initiale
300 mAh/g perte de capacité lt0.1 par
cycle Inconvénient
Capacité théorique élevée Peu coûteux Inconvénient
cinétiques lentes, faible durée de vie
65
(No Transcript)
66
contrôle de la surcharge
en surcharge
NiOOH/Ni(OH)2
oxydation OH- en O2
augmentationP cellule
MH/M
réduction H2O en H2
en surcharge
NiOOH/Ni(OH)2
oxydation OH- en O2
P cellule stable
diffusion
MH/M
capacité de réserve
4 MH O2 ---gt 4 M 2 H2O
67
La batterie secondaire Li-ion
68
(No Transcript)
69
Li1-xMO2
70
(No Transcript)
71
(No Transcript)
72
Source J. Power Sources 195 (2010) 2419
72
73
LiFePO4 is an intrinsically safer cathode
material than LiCoO2. The Fe-P-O bond is stronger
than the Co-O bond, so that when abused,
(short-circuited, overheated, etc.) the oxygen
atoms are much harder to remove. Only under
extreme heating (generally over 800 C) does
breakdown occur and this bond stability greatly
reduces the risk of thermal runaway when compared
with LiCoO2
Toshiba released a lithium-titanate battery,
dubbed Super Charge Ion Battery (SCiB). The
battery is designed to offer 90 charge capacity
in just 10 minutes.
74
M x Li x e- LixM
Source J. Power Sources 195 (2010) 2419
75
Batteries Li-air
Li-air batteries hold the promise of increasing
the energy density of Li-ion batteries by as much
as 10 times
Source J. Phys. Chem. Lett. 2010,1, 2193.
76
Source J. Phys. Chem. Lett. 2010,1, 2193.
77
Source J. Phys. Chem. Lett. 2010,1, 2193.
78
LES VÉHICULES HYBRIDES ET ÉLECTRIQUES
Marché des véhicules hybrides et électriques
2007 500 000 VH (1 du marché de
lautomobile) 2010 1 000 000 VH (2 du
marché) 2020 3 800 000 VH 1 300 000 VE (7.3
du marché)
(Nov. 2010)
79
In 2020, global sales of hybrids and plug-in
hybrid electric vehicles are expected to account
for just 5.5 of the 70.9 million passenger
vehicles projected to be sold globally.
80
(No Transcript)
81
Toyota Prius (23K US, 4.2 L/100 km) 400 000
Prius vendues en 2009 Ventes cumulées depuis
1997 gt 2 000 000
Evolution des ventes mondiales du principal
constructeur de véhicules hybrides - Source 
communiqué de presse Toyota, aout 2010
82
Based on the real and perceived negative
financial challenges that alternative-energy
vehicles present to consumersand as long as the
price of oil remains relatively stableit does
not seem likely that the growth rate of such
battery-based vehicles as HEVs and BEVs will be
significant. Automakers will be challenged to
convince consumers to invest in these relatively
expensive and unproven technologies.
À 1/L dessence durée damortissement pour
lachat dune HEV 6 ans À 1.36 /L 3 ans
83
Pour quantifier les hybrides, on utilise souvent
les vocables micro, mild et full. Micro 
signifie que la partie électrique du type
d'hybride considéré est inférieure à 10  de la
puissance totale. Mild  signifie que la partie
électrique du type d'hybride considéré est
comprise entre 10 et 30  de la puissance
totale. Full  signifie que la partie électrique
du type d'hybride considéré est supérieure à 30 
de la puissance totale.
84
Stop start Arrêt automatique du moteur
thermique pendant les phases d'arrêt du véhicule
(feu, rouge, bouchon...) et redémarrage
automatique du moteur dès le décollage du
véhicule. Cela représente une économie de 15  du
temps voiture arrêtée en cycle mixte et 20 à 30 
en régime urbain. Stop go Cette fonction est
le prolongement de la fonction précédente avec
l'application additionnelle d'un faible couple
moteur électrique aux roues pour favoriser le
décollage du véhicule. Récupération
d'énergie Recharge de la batterie de puissance
lors des phases de freinage ou de décélération
(énergie  gratuite ). 24  d'énergie est
récupérable au freinage sur cycle mixte, et 40 
sur cycle urbain. Selon la puissance motrice de
la machine électrique et l'architecture GMP
(groupe moto-propulseur  moteur  boîte de
vitesses différentiel), l'enjeu va de 5 à
20 g/km de CO2. Downsizing et optimisation du
fonctionnement du moteur thermique L'optimisation
du fonctionnement consiste d'une part à éteindre
le moteur thermique dans les zones où le moteur
électrique est suffisant, d'autre part à utiliser
l'addition ou la soustraction du couple du moteur
électrique pour faire fonctionner le moteur
thermique à des points de couple/régime de
consommation optimale.
La figure représente les différents postes de
gain sur les hybrides parallèles à essence. Un
optimum apparaît autour de 15 à 20 kW par tonne
de véhicule. Si la partie électrique est
supérieure à ces valeurs, elle n'apporte plus de
gain en consommation mais des prestations
dynamiques.
85
Nota 1 million de EV 480 MW délectricité
consommé/an (lt2 de la production délectricité
au Québec en 2008)
86
La Recherche, 2002
1
2
2
1
3
6
4
6
6
5
7
1
électrique 35-60
90 31-54
1 extraction, transport, raffinage,
distribution 2 rdt moteur thermique(40) - perte
transmission mécanique (-5) - perte à
larrêt(-10) - perte au freinage (-5) 3 rdt
centrale électrique (35-60) x rdt electrolyseur
(60) x rdt compression/distribution/stockage H2
(75) 4 rdt production methanol (75) x rdt
reformage à bord methanol (65-80) 5 rdt
reformage en usine methane (75) x rdt
compression/distribution/stockage H2 (75) 6 rdt
pile à combustible (40-55) perte au freinage
(-3) 7 rdt moteur electrique (90) gtgt rdt moteur
thermique (40), pas de perte dénergie à
larrêt, récuperation énergie cinétique au
freinage
86
87
Système "full hybride parallèle"
ENGmoteur thermique Clutchembrayage
MOTmoteur électrique PE électronique de
commande
Le principe général de fonctionnement consiste à
combiner un (ou deux) moteur électrique (souvent
réversible en générateur) avec un moteur
thermique pour propulser un véhicule. Le principe
de fonctionnement extrêmement simplifié  -
Lorsque le véhicule est immobile, les deux
moteurs sont à l'arrêt  - Au démarrage, c'est le
moteur électrique qui assure la mise en mouvement
de la voiture, jusqu'à une vitesse de l'ordre de
25 km/h  - Lorsqu'une vitesse plus élevée est
atteinte ou qu'une accélération forte est
demandée, le moteur thermique prend le relais  -
En cas de très forte accélération, les deux
moteurs fonctionnent simultanément, ce qui permet
une accélération supérieure  - En phase de
décélération et de freinage l'énergie cinétique
est absorbée par le moteur électrique pour
recharger les batteries assurant ainsi le frein
moteur et soulageant les freins mécaniques.
88
L'hybride série est un véhicule électrique dont
le moteur thermique alimente un générateur
électrique alimentant à son tour le moteur
électrique qui entraine le véhicule il peut donc
tourner à régime optimal. De plus, il n'y a pas
de pertes mécaniques dans la transmission. Des
batteries et des super-condensateurs permettent
de stocker l'énergie et éventuellement de rouler
en "tout électrique". Le freinage est, bien sûr,
régénératif. La Chevrolet Volt utilise cette
technologie.
Lhybride à transmission intégrale consiste à
utiliser une traction classique plus des moteurs
électriques installés sur les roues arrières. On
dispose ainsi de quatre roues motrices sans
complication de la transmission mécanique. Ce
système sera disponible en 2011 sur la Peugeot
hybride-diesel multisegment 3008 Hybrid4
(consommation de 3,8 L/100 km vs 6,9 L/100km pour
la version diesel)
89
On parle de véhicule hybride rechargeable
lorsqu'un véhicule hybride, qu'il soit série ou
parallèle, peut se recharger sur le réseau
électrique, ce qui permet, pour les petits
trajets quotidiens, de l'utiliser en mode tout
électrique. Ainsi les Chevrolet Volt et Opel
Ampera, premières utilisatrices de ce système,
permettraient à leurs utilisateurs de rouler
jusqu'à 60 km par jour sans utiliser d'essence,
en rechargeant les batteries la nuit. Le moteur
thermique est remis en route lorsque les
batteries sont épuisées ou au-delà d'une certaine
vitesse, allouant jusqu'à 600 km d'autonomie au
total sur les Volt et Ampera.

• L'hybride rechargeable a les avantages de
  l'électricité 
• - il n'émet pas de pollution sur son lieu
  d'utilisation, en mode électrique 
• - il est très silencieux à basse vitesse 
• il permet d'utiliser une source d'énergie
  indépendante des hydrocarbures.
• L'hybride rechargeable n'a pas les inconvénients
  de l'électrique pur du fait de la souplesse que
  confère le passage au mode thermique en cas de
  besoin 
• - il résout l'essentiel des conséquences des
  performances insuffisantes des batteries  une
  autonomie électrique d'une cinquantaine de
  kilomètres serait suffisante 
• - il nécessite un volume, un poids et un coût de
  batteries limités et peut supporter à court terme
  des défaillances des batteries 
• - son développement sur le marché ne nécessite
  pas, en préalable, un équipement très dense de
  bornes de rechargement  les prises électriques
  existantes dans les maisons individuelles et les
  lieux publics suffisent.

90
Electric Vehicle (EV) Battery Operating
Requirements Large capacity batteries are
required to achieve reasonable range. A typical
electric car uses around 150 to 250 Watt-hours
per mile depending on the terrain and the driving
style. The battery must be capable of regular
deep discharge (80 DOD) operation. It is
designed to maximise energy content and deliver
full power even with deep discharge to ensure
long range. A range of capacities will be
required to satisfy the needs of different sized
vehicles and different usage patterns. Must
accept very high repetitive pulsed charging
currents (greater than 5C) if regenerative
braking required. Without regenerative braking,
controlled charging conditions and lower charging
rates are possible. (At least 2C desirable).
Routinely receives a full charge. Often also
reaches nearly full discharge. Needs a Battery
Management System (BMS) Needs thermal management.
Typical voltage gt 300 Volts. Typical capacity gt
20 - 60 kWh. Typical discharge current up to C
rate continuous and 3 C peak for short durations.
Hybrid Electric Vehicle (HEV) Battery Operating
Requirements Capacity is less important with HEVs
compared with EVs since the engine also provides
capacity therefore the battery can be much
smaller, saving weight. However the battery may
still be required to provide the same
instantaneous power as the EV battery from time
to time. This means that the smaller battery must
deliver much higher currents when called upon.
Some typical requirements are as follows
Designed to maximize power delivered. Must
deliver high power (up to 40C) in repetitive
shallow discharges and accept very high
recharging rates. Very long cycle life 1000 deep
cycles and 400,000 - 1,000,000 shallow cycles.
Operating point is between 15 and 50 DOD to
allow for regenerative braking. Never reaches
full discharge. Rarely reaches full charge.
Needs thermal management. Complex BMS necessary
to regulate battery energy management as well as
for driver instrumentation. Needs interfacing
with overall vehicle energy management. Typical
voltage gt 144 Volts. Typical power gt 40 kW .
Capacity 1 to 10 kWh depending on the
application. As with EVs above, the size, shape
and weight distribution of the battery pack must
be tailored to the vehicle.
91
Plug in Hybrid Electric Vehicle (PHEV) Battery
Operating Requirements
Batteries for plug in hybrid vehicles must
satisfy conflicting performance
requirements. Traction batteries are usually
optimized for high capacity in the case of pure
electric vehicles of for high power in the case
of hybrid vehicles. The EV battery operates down
to a deep depth of discharge (DOD) for long range
whereas the HEV operates at a shallow DOD for
long life. The plug in hybrid is designed to be
used both as an EV for city driving and as an HEV
when the charge is depleted or for highway
driving. The dual requirements for an extended
all electric range, typically forty miles, as
well as maintaining high power availability at
low state of charge, (see below), impose very
stressful conditions on the battery.
92
Practical Traction Batteries For over a century
Lead Acid batteries have been the prime source of
energy for traction applications because they are
both robust and relatively inexpensive. For fork
lift trucks, milk floats and similar applications
Nickel Iron batteries, which are almost
indestructible and have a lifetime of up to ten
years, have also been used successfully. The high
weight and bulk of these batteries however has
precluded their use in passenger cars.   The
advent of high power Nickel Metal Hydride (NiMH)
cells which have overcome both the weight and the
operating temperature problems has encouraged
several automotive manufacturers to introduce EVs
or HEVs using NiMH batteries. NiMH cells operate
at normal ambient temperatures. They have a
higher energy and power density than Lead Acid
cells.   Recently high power Lithium Ion cells
which have an even higher energy density than
NiMH cells have become available. They also
operate at normal temperatures and are just being
introduced into new electric vehicle designs.
These new high energy cells however are more
vulnerable to abuse and need the support of
electronic Battery Management Systems to provide
protection and ensure long cycle life.