Camionnette Automotrice Triple Hybridation Intégrée (CATHI)

Bonjour à tous les Oléobackupiens,

En cette veille de Noël, je vous souhaite d'excellentes fêtes de fin d'année, et le moment est venu de créer un sujet sur le projet CATHI.



La Camionnette Automotrice à Triple Hybridation Intégrée (CATHI), est un développement initié par Sycomoreen depuis novembre 2010, qui d'ores et déjà répond pleinement aux besoins d'électromobilité et optionnellement d'hybridation responsables dans les transports.

CATHI a fêté son premier anniversaire avec plus de 10 000 km parcourus et une consommation électrique 100% EnR.

Ce topic va vous permettre de suivre l'histoire de ce concept et de cette réalisation originale uniques au monde.

Remundo pour Sycomoreen

La génèse de CATHI

Pour commencer, le choix s'est porté sur l'adaptation d'un Citroën Berlingo Electrique


Documentation pdf technique complète,

Ce véhicule de la gamme PSA au Nickel Cadmium a été développé dans les années 1990 et 2000. Son électronique de puissance est signée SAGEM. Il s'agit pour résumer d'un hacheur de traction réversible en courant.

Cette plate-forme très robuste, pas trop sophistiquée et dotée de batteries Nicad à la fiabilité reconnue était idéale pour le projet CATHI.

En effet, le concept CATHI repose sur la triple hybridation, à savoir :
- Un pack de batteries Nickel Cadmium
- Un pack de batteries Lithium Fer Phosphate
- Un prolongateur thermique par groupe électrogène (optionnel)

Avec des variantes possibles sur le choix de batterie et de groupe électrogène.

Cette triple hybridation permet d'obtenir un fonctionnement fiable et souple du véhicule en s'appuyant sur les atouts de chaque source d'énergie tout en effaçant leurs inconvénients.

Pour obtenir ce résultat, il a fallu concevoir une architecture intégrant harmonieusement cette triple hybridation :

Choix de batteries et du groupe électrogène

Le pack de Batteries Lithium Fer Phosphate (LiFePO4) est constitué de 2 systèmes 4 kWh produits par Enginer.US intégrant chacun un chargeur de 1300 VA et un contrôleur de batteries BMS (batteries managing system)



Note : Ces kits "Enginer" sont au départ prévus pour renforcer le pack électrique des Toyota Prius. Cependant, ils s'avèrent complètement compatibles avec le pack Nicad des Berlingo Partner, et même Kangoo électriques.

Les batteries LiFePO4 possèdent une bonne densité énergétique et une bonne stabilité électrochimique. Elles sont néanmoins sensibles aux surtensions, sous-tensions et courants élevés qui leur causent des dégâts irréversibles (d'où nécessité d'un BMS et de ne pas régénérer ou accélérer vivement).

L'hybridation thermique est un groupe électrogène amovible qui se branche directement sur les chargeurs LiFePO4. Le modèle retenu est un Gényx Energy 3000 Hi.



C'est un groupe Inverter assez léger (35 kg sans carburant) qui fournit 2600W nominal : 12 A sous 220V, soit exactement les besoins cumulés des 2 chargeurs LiFePO4. Il peut emporter 14L d'essence et fournir ainsi 15 kWh électriques aux 2 kits LiFePO4 pendant une durée de 6h environ.

15 kWh électrique représentent à peu près 80 km pour le Berlingo.

Câblage de l'habitacle vers le bornier de puissance

La première opération fut la pose :
- d'un câble noir 2G16mm²
- d'un câble blanc 3G2,5mm²



Le câble noir porte la puissance DC (continue) sous environ 160V et 30A lorsque les 2 kits LiFePO4 injectent (véhicule roulant).

Ce câble pourrait porter un courant continu plus puissant, jusqu'à 100A sous 160V, par exemple produit d'une génératrice DC de 16kW :
1) soit à des fins de recharge rapide sur une prise de forte puissance,
2) soit en "heavy hybrid", c'est à dire que l'hybridation thermique deviendrait prépondérante.


Le câble blanc permet de récupérer du AC220V50Hz dans le bornier SAGEM pour recharger les LiFePO4 (véhicule à l'arrêt). Il comporte un neutre, une phase et le fil de terre. La recharge des 2 kits soutire environ 11A sous 220V AC, 50Hz.



Les câbles cheminent au pied de la porte AV droite, puis dans le passage de roue



pour déboucher dans le compartiment moteur



Ci-dessous le véhicule en cours d'adaptation, avec les fusibles dégraffés.

Ça y va les acronymes chez Remundo !
Elle date de quand la berlingo électrique ?

Bonjour Yves,

Elle date de 2003.

Câblage et adaptation du Bornier SAGEM

Le bornier SAGEM comporte
- le DC160V (pattes vertes et rouges) destiné au hacheur de traction
- le AC220V destiné au chargeur des Nicad.



Les kits LiFePO4 viennent porter leur appui ampérique sur le DC160V. Ils sont conçus pour s'adapter à la tension des NiCad et "pousser" un courant à peu près constant de 14+14 = 28 A. Cela représente une puissance additionnelle de 4500W environ. Elle est commandée par le conducteur depuis l'habitacle.



Le câblage côté AC (sur la droite) permet de faire remonter le secteur sur les kits LiFePO4 directement via la prise de recharge habituelle du Berlingo.



Et voici les connexions et les modifications terminées pour la partie du compartiment moteur :



NOTE DE SECURITE : Attention, il est très dangereux d'intervenir dans ce bornier : impérativement débrocher un fusible du pack Nicad et bien prendre ses précautions...

Boîtiers électriques dans le véhicule

Chaque kit LiFePO4 de 4 kWh comporte
- deux câbles gainés en orange : ils portent le DC de puissance en provenance des batteries Lithium vers les batteries Nicad.
- une entrée AC220V sur le chargeur des LiFePO4



Après le remontage du siège passager, l'aménagement de l'intérieur du véhicule a consisté :
1) en la pose d'un boitier d'isolement DC sous ce siège du véhicule. Il permet d'isoler les Nicad des LiFePO4 pour des opération de maintenance



2) le montage d'une console centrale de distribution du AC220V

Cette console intègre un disjoncteur AC 15A, une prise modulaire de service (par exemple pour recharger un téléphone portable), et un relais temporisé qui permet de programmer le déclenchement final de la charge des Lithium selon diverses stratégies (par exemple, retarder de 7h après le début de charge des Nicad).



Sur le dessus de cette console centrale se trouvent 2 prises qui apportent l'énergie sur les chargeurs des 2 packs Lithium Avant (AV) et Arrière (AR).

Câblage électronique dans l'habitacle 1/2

Les 2 kits LiFePO4 sont mis en route par l'intermédiaire d'un interrupteur ON/OFF placé à la portée du conducteur. Cet interrupteur nécessite le 12V de la voiture pour déclencher un relais de puissance à l'intérieur du BMS contrôlant un pack LiFePO4.



Le courant de commande circule dans les câbles de téléphone :



Partie de cache-cache dans les méandres du plancher...



Passage au pied du pupitre central



Et voilà le chantier à brancher, un multimètre pour tester le 12V ne sera pas de trop

Câblage électronique dans l'habitacle 2/2

On rassemble les câbles à connecter ; il y a pas mal de monde entre l'antenne radio, le faisceau radio, les 2 câbles LiFePO4, le 12V à récupérer...



ça n'en a pas l'air, mais presque tout est branché...



Après la pose d'une barrette blanche en PVC découpée sur mesure, les interrupteurs Enginer prennent place à gauche (pour le pack ARrière) et à droite (pour le pack AVant) pour déclencher ou non l'appui ampérique des prolongateurs au Lithium.



CATHI n'en oublie pas pour autant les petits luxes modernes : autoradio et GPS sont prévus au programme...

Implantation des kits LiFePO4 et système de charge 1/2

Les 2 kits LiFePO4 prennent place près du centre du véhicule légèrement à droite. Ils sont en butée sur un élément de structure de la carrosserie, ce qui les empêche d'écraser les sièges en cas de freinage violent.

La charge avec conducteur se répartit ainsi ainsi à peu près équitablement sur les 4 roues.



Vue sur le côté, l'espace de chargement est encore très accessible. Le groupe électrogène étant peu utilisé, l'espace du flanc gauche a été réaménagé pour la roue de secours (au départ absente sur ce modèle...).



La caisserie métallique des kits LiFePO4 est résistante : elle supporte sans difficulté des empilements potentiellement lourds. Il faut par contre veiller à ne pas obstruer les conduits de ventilation et bien arrimer le chargement.



Un limiteur du courant de démarrage des chargeurs LiFePO4 a été installé dans la niche des 2 kits LiFePO4 qui permet de ranger également le câble secteur. Ce câble peut aussi servir lors des recharges avec le groupe électrogène.

Implantation des kits LiFePO4 et système de charge 2/2

Les 2 kits LiFePO4 comportent des condensateurs dans le circuit de redressement du AC220V. Ces condensateurs appellent un courant de démarrage important, en particulier si les 2 packs sont branchés simultanément.

Ceci a pour conséquence de mettre en sécurité certains appareils ou disjoncteurs sensibles : ils interprètent l'appel de courant comme un court-circuit, ils "sautent" et cela empêche alors le démarrage normal des chargeurs LiFePO4.

A cet effet, Sycomoreen a conçu un limiteur de courant de démarrage bi-voie utilisant des thermistances NTC (negative temperature coefficient).



Le principe des NTC est d'avoir une résistance élevée à froid, capable de ralentir considérablement la vitesse de charge des condensateurs et donc de limiter le courant de démarrage.



Cependant, l'échauffement des NTC effondre leur résistance au bout de quelques secondes. Les thermistances sont alors très chaudes (>100°C) et se comportent comme des fils peu résistifs (quelques Ohm et moins).

Ci-dessous le groupe électrogène Inverter Gényx 3000 Hi en test avec le limiteur de courant



En pratique, les NTC, même chaudes, sont toujours légèrement dissipatives. Donc un circuit parallèle de "shunt" a été créé pour permettre, une fois le démarrage effectué, de se brancher en direct sur le secteur tout en déconnectant complètement la voie NTC.



Ci-dessous, le câblage interne de ce limiteur de courant de démarrage à 2 voies, conçu et réalisé par Sycomoreen.



Les chargeurs de ces kits LiFePO4, avec le limiteur de courant de démarrage, se prêtent particulièrement bien à une hybridation thermique puisqu'ils alimentent les batteries LiFePO4, lesquelles peuvent simultanément débiter pour soutenir le pack NiCad.

CATHI se contente en cas de nécessité d'un arrêt. 2h de charge au groupe (2200W) engrangent environ 4,5 kWh, soit 20 km supplémentaires. Le groupe possède 6.5h d'autonomie selon le fabricant.

Mais le montage du groupe électrogène à l'extérieur de l'habitacle serait possible selon diverses options :
- sur l'arrière du véhicule arrimé sur une portière, amovible ou non
- inamovible dans le compartiment moteur du véhicule
- amovible sur le toit du véhicule
- sur une remorque électrogène dédiée

Architecture électromécanique de CATHI

CATHI s'appuie sur :
- une hybridation électrique parallèle des accumulateurs Nicad et LiFePO4
- une hybridation thermique série avec groupe électrogène chargeant les LiFePO4 et/ou les Nicad

Le tout donnant une triple hybridation intégrée développant 12 synergies entre les 3 sources de puissance du véhicule.





Sur la base existante du Citroën Berlingo de PSA, les différents éléments prennent place comme indiqué ci-après ;



Les caractéristiques techniques détaillées sont accessibles ici. Egalement des valeurs cibles qu'il conviendrait de respecter pour obtenir une berline optimale à triple hybridation intégrée.

Modalités de recharge de CATHI

CATHI possède :
- 2 packs LiFePO4 de 4 kWh chacun
- 1 pack Nicad de 16,2 kWh
- un groupe électrogène de 2800W

Du point de vue électrochimique, les accumulateurs ont différentes préconisations d'usage ;
- Il est prérérable de recharger les LiFePO4 en premier et les laisser chargés,
- et de recharger les Nicad en dernier et les utiliser peu après la fin de charge.


Ainsi, l'architecture de CATHI donne plusieurs possibilités intéressantes.


Si le véhicule est roulant :

- le freinage régénératif envoie des courants importants dans le pack Nicad tout en préservant les packs LiFePO4*, lesquels peuvent s'équilibrer au besoin.
- le groupe électrogène, à condition qu'il soit à l'extérieur de l'habitacle, peut recharger les LiFePO4 et aussi les Nicad.

* Pour augmenter la durée de vie des LiFePO4, le freinage régénératif du Berlingo (allant jusqu'à 100A sous 160V) recharge exclusivement le pack Nicad.

Si le véhicule est à l'arrêt:

1) Sans branchement sur le réseau électrique, le groupe électrogène charge les LiFePO4 et/ou les Nicad : puissance 2800 VA (2 kits) ou bien 1400 VA (1 kit).

2) Avec branchement sur le électrique monophasé, la recharge est possible :
- en 25A 220V alternatif afin de recharger simultanément toutes les batteries (puissance : 5500 W).
- en 15A 220V alternatif afin de recharger seulement le pack Nicad (puissance : 3300 W)
- en 10A 220V alternatif afin de recharger seulement les 2 packs Lithium (puissance : 2200 W)
- en 5A 220V alternatif afin de recharger seulement un pack Lithium (puissance : 1200 W)
Ce qui permet de s'adapter à toutes les installations électriques qu'elles soient puissantes* ou faibles.

* Il existe une dernière et rare option, proposée par PSA : la recharge rapide en triphasé 18 kVA directement sur les Nicad. Il faut un chargeur spécifique de forte puissance non embarqué dans ce cas.

Les temps de recharge :
- Une charge complète du Nicad requiert environ 7h et 19 kWh soutirés sur le réseau
- une charge complète du LiFePO4 requiert environ 5h et 8 kWh soutirés sur le réseau
- 25A/220V est un rythme de charge semi-rapide où 4h de charge stockent l'équivalent de 100 km, 2h stockent l'équivalent 50 km.
- disposer d'un branchement rapide 18 kVA triphasé permet en 1h30 de stocker l'équivalent de 100 km (dont 80 km dans les Nicad, et 20 km dans les LiFePO4).

La consommation

22,3 kWh / 100 km, c'est aussi 4,5 km / kWh électrique
Une recharge complète de tous les accumulateurs engrange 27 kWh soutirés à la prise pour un parcours de 120 km à environ 65 km/h.

A noter que CATHI améliore très significativement les performances initiales du Berlingo PSA, malgré 150 kg embarqués supplémentaires (la masse des LiFePO4):
- l'autonomie est augmentée de 50% (80->120 km)
- la consommation pour 100 km parcourus a baissé de 15% (26kWh/100km -> 22,3 kWh/100 km)

Les 12 Synergies inhérentes à la triple hybridation


1) Suppression du problème de l'autodécharge et de la métallisation du NiCd (stockant une petite fraction de l'énergie) et bénéfice des hauts rendements des LiFePO4 (stockant la majorité de l'énergie électrochimique).

2) Suppression du rendement limité de charge/décharge du NiCd (on peut même ne pas charger le pack NiCd) et bénéfice des hauts rendements de déstockage des LiFePO4.

3) Les surcharges ampériques sont assurées par les batteries NiCad (freinage régénératif ou fortes accélérations), ce qui préserve les LiFePO4

4) Le Nicad assure le déplacement du véhicule par temps froid et réchauffe les LiFePO4 jusqu'à un seuil opérationnel par sa dissipation thermique.

5) Forte énergie massique des LiFePO4 (stockant la majorité de l'énergie) et possibilité de surcharge des NiCad (pour une autonomie ponctuellement plus forte).

6) Les courants débités sont plus modérés sur toutes les batteries, ce qui augmente l'énergie qu'elles restituent (grâce à l'effet Peukert).

7) Pas de cycles répétitifs pour les Nicad entre une charge complète et une décharge complète : l'effet mémoire des NiCd ne se manifeste plus.

8 ) Equilibrage des packs LiFePO4 sans être perturbé par des charge/décharge assurées par le NiCd : s'il apparaît un déséquilibre grave dans le pack LiFePO4, le véhicule poursuit son chemin avec le NiCad pendant que les packs LiFePO4 s'équilibrent.

9) Longévité accrue des batteries LiFePO4 qui se chargent et se déchargent à un courant constant prédéfini.

10) Subdivision du pack LiFePO4 en blocs débitant 15A, selon les conditions de roulage :
a) Descente : 0A,
b) Besoin modéré de puissance : 1 ou quelques blocs LiFePO4 débitent,
c) Besoin maximum de puissance : tous les blocs LiFePO4 débitent.
d) Besoin d'une surpuissance : tous les blocs LiFePO4 et le NiCd débitent

11) La batterie NiCd peut rester déchargée de manière à garantir un freinage régénératif lorsque le véhicule stationne en altitude et parcourt une longue descente avant d'avoir besoin de tracter le véhicule avec ses batteries.

12) Suppression du poids mort du groupe électrogène avec son caractère amovible pour tous les petits trajets ; très grande autonomie du véhicule avec le groupe ; usages multiples du groupe (cogénération domestique, groupe de chantier, électricité de secours).

Bonjour à tous les Oléobackupiens,

Une petite vidéo qui prolonge la Saint Sylvestre...



Oh, What fun it is to ride in a forty one horses electric sleigh !

Test d'endurance de CATHI en conditions hivernales sévères



Dénivelé : + 750 m suivi de -750 m
Autonomie de 100 km.

Plus de précisions : FAQ CATHI du 01/02/2012

Salut à tous les Oléobackupiens,

Quelques photos et vidéos des entrailles de CATHI.



A voir dans la FAQ CATHI du 05/03/2012


@+

Les essais américains sur les voitures électriques "modernes"


Selon Moteur Nature

L'agence américaine de protection de l'environnement (EPA) mesure la consommation de tous les véhicules sur le marché américain.
[]
Selon l'EPA, une Nissan Leaf a ainsi une autonomie de 117,5 km.
[]
Les mêmes tests ont attribué à la Honda Jazz électrique une autonomie de 132 km, avec une consommation moyenne de 180,236 Wh/km.

Hier, j'ai parcouru 116 km avec 5% restant dans le Nicad et 10% restant dans les LiFePO4.

Pour info, la CATHI de Sycomoreen démontre 23 kWh/100 km [230 Wh/km] pour 120 km d'autonomie (camionnette Berlingo) avec un mix Nickel Cadmium + LiFePO4 (16 + 8 kWh).

Si la Berlingomoreen avait le même SCx que la petite Jazz (carrosserie Berline), elle ferait à peu près jeu égal.

@+

Bonjour à tous les Oléo-backupiens,

Petits devoirs de vacances : révisions sur tous les accumulateurs électrochimiques usuels Plomb, Nickel, Lithium ionique :



Et les masses exactes des batteries de CATHI (après consultation des données précises, il se trouve que c'est un peu moins de 600 kg...)

Les W/kg, les kWh/kg, la triple hybridation...

En ligne sur la FAQ CATHI du 20/07/2012

Bonjour aux Oléobackupiens,



Quelques mises en lignes sur CATHI

Photo de la mise en eau des batteries Nickel Cadmium

Installation des derniers BMS fabriqués par Enginer pour gérer les packs Lithium Fer Phosphate.

Bonjour à tous les Oléobackupiens,

Quelques - bonnes - nouvelles de CATHI



1) Elle franchit les 6000 kWh pour 26 078 km parcourus : 23kWh/100km. Précisions et vidéo dans l'annonce du 05/11/2012. La consommation est un peu en hausse à cause de trajets urbains et autoroutiers plus fréquents.

2) Elle a obtenu son contrôle technique avec succès et j'ai pu avoir des mesures précises sur les caractéristiques du véhicule (freinage, répartitions des masses, suspensions), détails et vidéos disponibles sur la FAQ du 07/11/2012

Bonjour aux Oléobackupiens,

Le site Suisse Eco-Energie.ch a récemment écrit un article sur CATHI



Description succincte du site ICI

Il y a de nombreuses autres informations susceptibles de vous intéresser sur ce site.