Batterie de véhicule électrique

Composants internesEdit

Les conceptions de blocs-batterie pour les véhicules électriques (VE) sont complexes et varient largement selon le fabricant et l’application spécifique. Cependant, ils intègrent tous une combinaison de plusieurs systèmes de composants mécaniques et électriques simples qui remplissent les fonctions de base requises du pack.

Les cellules de batterie proprement dites peuvent avoir une chimie, des formes physiques et des tailles différentes selon les préférences des divers fabricants de packs. Les packs de batteries incorporeront toujours de nombreuses cellules discrètes connectées en série et en parallèle pour atteindre les exigences totales de tension et de courant du pack. Les packs de batteries pour tous les VE à propulsion électrique peuvent contenir plusieurs centaines de cellules individuelles. Chaque cellule a une tension nominale de 3-4 volts, selon sa composition chimique.

Pour faciliter la fabrication et l’assemblage, la grande pile de cellules est généralement regroupée en piles plus petites appelées modules. Plusieurs de ces modules seront placés dans un seul pack. À l’intérieur de chaque module, les cellules sont soudées ensemble pour compléter le chemin électrique pour le passage du courant. Les modules peuvent également intégrer des mécanismes de refroidissement, des contrôleurs de température et d’autres dispositifs. Dans la plupart des cas, les modules permettent également de surveiller la tension produite par chaque cellule de batterie dans la pile en utilisant un système de gestion de la batterie (BMS).

La pile de cellules de batterie possède un fusible principal qui limite le courant du pack dans une condition de court-circuit. Une « prise de service » ou une « déconnexion de service » peut être retirée pour diviser la pile de batteries en deux moitiés électriquement isolées. Lorsque la fiche de service est retirée, les bornes principales exposées de la batterie ne présentent aucun danger électrique potentiel élevé pour les techniciens de service.

Le bloc de batteries contient également des relais, ou contacteurs, qui contrôlent la distribution de l’énergie électrique du bloc de batteries aux bornes de sortie. Dans la plupart des cas, il y aura un minimum de deux relais principaux qui relient la pile de cellules de batterie aux bornes de sortie principales positives et négatives du pack, qui fournissent ensuite un courant élevé au moteur d’entraînement électrique. Certaines conceptions de packs incluent des chemins de courant alternatifs pour la précharge du système d’entraînement par le biais d’une résistance de précharge ou pour l’alimentation d’un bus auxiliaire qui aura également ses propres relais de contrôle associés. Pour des raisons de sécurité, ces relais sont tous normalement ouverts.

Le pack batterie contient également une variété de capteurs de température, de tension et de courant. La collecte des données provenant des capteurs du pack et l’activation des relais du pack sont réalisées par l’unité de surveillance de la batterie (BMU) ou le système de gestion de la batterie (BMS) du pack. Le BMS est également responsable des communications avec le véhicule à l’extérieur du pack de batteries.

RechargeEdit

Les batteries des VEB doivent être rechargées périodiquement. Les VEB se rechargent le plus souvent à partir du réseau électrique (à la maison ou en utilisant un point de recharge dans la rue ou dans un magasin), qui est à son tour généré à partir d’une variété de ressources domestiques, telles que le charbon, l’hydroélectricité, le nucléaire, le gaz naturel et autres. L’énergie domestique ou de réseau, comme les panneaux de cellules solaires photovoltaïques, le vent ou la microhydro, peut également être utilisée et est encouragée en raison des préoccupations concernant le réchauffement climatique.

Avec des alimentations appropriées, une bonne durée de vie de la batterie est généralement obtenue à des taux de charge ne dépassant pas la moitié de la capacité de la batterie par heure ( » 0.5C »), prenant ainsi deux heures ou plus pour une charge complète, mais une charge plus rapide est disponible même pour les batteries de grande capacité.

Le temps de charge à la maison est limité par la capacité de la prise électrique domestique, sauf si des travaux de câblage électrique spécialisés sont effectués. Aux États-Unis, au Canada, au Japon et dans d’autres pays où l’électricité est de 110 volts, une prise domestique normale fournit 1,5 kilowatt. Dans les pays européens où l’électricité est en 230 volts, elle peut fournir entre 7 et 14 kilowatts (monophasé et triphasé 230 V/400 V (400 V entre les phases), respectivement). En Europe, un raccordement au réseau 400 V (triphasé 230 V) est de plus en plus populaire car les maisons plus récentes ne disposent pas de raccordement au gaz naturel en raison des règles de sécurité de l’Union européenne.

Temps de rechargeModifier

Les voitures électriques comme la Tesla Model S, la Renault Zoe, la BMW i3, etc. peuvent recharger leurs batteries à 80 % dans des stations de recharge rapide en 30 minutes. Par exemple, une Tesla Model 3 Long Range en charge sur un Superchargeur Tesla Version 3 de 250 kW est passée d’un état de charge de 2 % avec 9,7 km d’autonomie à un état de charge de 80 % avec 390 km d’autonomie en 27 minutes, ce qui équivaut à 840 km à l’heure.

ConnecteursEdit

La puissance de charge peut être connectée à la voiture de deux manières. La première est une connexion électrique directe connue sous le nom de couplage conductif. Cela peut être aussi simple qu’un fil de secteur dans une prise étanche à travers des câbles spéciaux de haute capacité avec des connecteurs pour protéger l’utilisateur des hautes tensions. La norme moderne pour la recharge des véhicules branchés est le connecteur conducteur SAE 1772 (IEC 62196 Type 1) aux Etats-Unis. L’ACEA a choisi le VDE-AR-E 2623-2-2 (IEC 62196 Type 2) pour le déploiement en Europe, qui, sans loquet, signifie des besoins en énergie supplémentaires inutiles pour le mécanisme de verrouillage.

La deuxième approche est connue sous le nom de charge par induction. Une « palette » spéciale est insérée dans une fente sur la voiture. La palette est un enroulement d’un transformateur, tandis que l’autre est intégré à la voiture. Lorsque la palette est insérée, elle complète un circuit magnétique qui alimente la batterie. Dans un système de charge par induction, un enroulement est fixé sous la voiture et l’autre reste sur le sol du garage. L’avantage de l’approche inductive est qu’il n’y a aucun risque d’électrocution puisqu’il n’y a pas de conducteurs exposés, bien que des verrouillages, des connecteurs spéciaux et des détecteurs de défaut de masse puissent rendre le couplage conducteur presque aussi sûr. La recharge par induction peut également réduire le poids du véhicule, en déplaçant davantage de composants de recharge hors du véhicule. Un défenseur de la charge inductive de Toyota a soutenu en 1998, que les différences de coût global étaient minimes, tandis qu’un défenseur de la charge conductive de Ford a soutenu que la charge conductive était plus rentable.

Les lieux de rechargeModifié

En avril 2020, il y a 93 439 emplacements et 178 381 stations de recharge de VE dans le monde.

L’autonomie de déplacement avant rechargeModifié

L’autonomie d’un VEB dépend du nombre et du type de batteries utilisées. Le poids et le type de véhicule ainsi que le terrain, la météo et les performances du conducteur ont également un impact, tout comme sur le kilométrage des véhicules traditionnels. Les performances de la conversion des véhicules électriques dépendent d’un certain nombre de facteurs, notamment la chimie de la batterie :

• Les batteries plomb-acide sont les plus disponibles et les moins chères. Ces conversions ont généralement une autonomie de 30 à 80 km (20 à 50 mi). Les VE de série équipés de batteries plomb-acide peuvent parcourir jusqu’à 130 km (80 mi) par charge.
• Les batteries NiMH ont une énergie spécifique plus élevée que les batteries plomb-acide ; les VE prototypes offrent jusqu’à 200 km (120 mi) d’autonomie.
• Les nouveaux VE équipés de batteries lithium-ion offrent 320 à 480 km (200 à 300 mi) d’autonomie par charge. Le lithium est également moins cher que le nickel.
• La batterie nickel-zinc est moins chère et plus légère que les batteries nickel-cadmium. Elles sont également moins chères que les batteries lithium-ion (mais pas aussi légères).

La résistance interne de certaines batteries peut être considérablement augmentée à basse température, ce qui peut entraîner une réduction notable de l’autonomie du véhicule et de la durée de vie de la batterie.

Trouver l’équilibre économique entre l’autonomie et les performances, la capacité de la batterie par rapport au poids et le type de batterie par rapport au coût représente un défi pour chaque fabricant de VE.

Avec un système à courant alternatif ou un système à courant continu avancé, le freinage par récupération peut prolonger l’autonomie jusqu’à 50 % dans des conditions de circulation extrêmes sans arrêt complet. Sinon, l’autonomie est prolongée d’environ 10 à 15 % en conduite urbaine, et seulement de façon négligeable en conduite sur autoroute, selon le terrain.

Les VE (y compris les autobus et les camions) peuvent également utiliser des remorques à groupe électrogène et des remorques à poussoir afin de prolonger leur autonomie lorsqu’ils le désirent sans le poids supplémentaire pendant l’utilisation normale à courte distance. Les remorques à panier déchargées peuvent être remplacées par des remorques rechargées en cours de route. Si elles sont louées, les coûts d’entretien peuvent alors être reportés sur l’agence.

Certains BEV peuvent devenir des véhicules hybrides selon les types d’énergie et de groupe motopropulseur de la remorque et de la voiture.

RemorquesEdit

La capacité de batterie auxiliaire transportée dans les remorques peut augmenter l’autonomie globale du véhicule, mais augmente également la perte de puissance découlant de la traînée aérodynamique, augmente les effets de transfert de poids et réduit la capacité de traction.

Échange et retrait

Une alternative à la recharge consiste à échanger des batteries (ou des modules d’extension d’autonomie) déchargées ou presque déchargées avec des batteries entièrement chargées. Cela s’appelle l’échange de batteries et se fait dans des stations d’échange.

Les caractéristiques des stations d’échange comprennent :

1. Le consommateur ne se préoccupe plus du coût d’investissement des batteries, de leur cycle de vie, de la technologie, de l’entretien ou des problèmes de garantie ;
2. L’échange est beaucoup plus rapide que la recharge : l’équipement d’échange de batteries construit par la société Better Place a démontré des échanges automatisés en moins de 60 secondes ;
3. Les stations d’échange augmentent la faisabilité du stockage d’énergie distribué via le réseau électrique ;

Les préoccupations concernant les stations d’échange comprennent :

1. Potentiel de fraude (la qualité de la batterie ne peut être mesurée que sur un cycle de décharge complet ; la durée de vie de la batterie ne peut être mesurée que sur des cycles de décharge répétés ; les personnes participant à la transaction d’échange ne peuvent pas savoir si elles obtiennent une batterie usée ou à l’efficacité réduite ; la qualité de la batterie se dégrade lentement au fil du temps, de sorte que les batteries usées seront progressivement forcées dans le système)
2. Le refus des fabricants de normaliser l’accès à la batterie / les détails de mise en œuvre
3. Préoccupations en matière de sécurité

RemplissageEdit

Les batteries de flux zinc-brome peuvent être rechargées à l’aide d’un liquide, au lieu d’être rechargées par des connecteurs, ce qui permet de gagner du temps.

Cycle de vie des batteries EVEdit

Down-cycling des batteries EV en fin de vieEdit

Les batteries de véhicules électriques qui sont en phase de fin de vie (ayant une capacité de puissance réduite et n’étant plus adaptées à l’alimentation des véhicules électriques) peuvent être réutilisées pour des applications de seconde vie, telles que l’utilisation dans des blocs d’alimentation d’e-bus, les batteries de secours pour les grands bâtiments, le stockage d’énergie à domicile, la stabilisation de l’alimentation des générateurs d’énergie solaire et éolienne, l’alimentation de secours pour les stations de base des télécommunications et les centres de données, l’alimentation des chariots élévateurs, des scooters et des vélos électriques, etc. La réutilisation des batteries automobiles dans des applications de seconde vie nécessite une expertise particulière en matière de logistique inverse. Alexander Kupfer, responsable du développement de produits durables/de l’économie circulaire chez Audi, déclare qu’il faudrait développer « une interface de connexion commune par laquelle ces batteries automobiles peuvent être contrôlées par un système de gestion de stockage stationnaire ». Ce type d’interface fournirait un mécanisme de communication avec le système de contrôle du stockage indépendant du fabricant de la batterie. L’interface devrait être développée en collaboration avec les fournisseurs de stockage.

Pacific Gas and Electric Company (PG&E) a suggéré que les services publics pourraient acheter des batteries usagées à des fins de sauvegarde et de nivellement de la charge. Ils affirment que même si ces batteries usagées ne sont plus utilisables dans les véhicules, leur capacité résiduelle a encore une valeur importante.

LifespanEdit

Les batteries individuelles sont généralement agencées en grands blocs de batteries de divers produits de tension et de capacité ampère-heure pour donner la capacité énergétique requise. La durée de vie des batteries doit être prise en compte lors du calcul du coût de possession étendu, car toutes les batteries finissent par s’user et doivent être remplacées. Le rythme auquel elles expirent dépend d’un certain nombre de facteurs.

La profondeur de décharge (DOD) est la proportion recommandée du stockage total d’énergie disponible pour laquelle cette batterie atteindra ses cycles nominaux. Les batteries plomb-acide à cycle profond ne doivent généralement pas être déchargées à moins de 20 % de leur capacité totale. Les formulations plus modernes peuvent survivre à des cycles plus profonds.

En utilisation réelle, certains VE Toyota RAV4 de la flotte, utilisant des batteries Nickel-métal-hydrure, ont dépassé les 100 000 miles (160 000 km) avec une faible dégradation de leur autonomie quotidienne. Extrait d’une évaluation de Southern California Edison (SCE):

« L’essai sur cinq véhicules démontre la durabilité à long terme des batteries Nickel Metal Hydride et des groupes motopropulseurs électriques. Seule une légère dégradation des performances a été observée à ce jour sur quatre des cinq véhicules….. Les données de l’essai EVTC fournissent des preuves solides que les cinq véhicules dépasseront la marque des 100 000 miles (160 000 km). L’expérience positive de la SCE indique la très forte probabilité d’une durée de vie opérationnelle de la batterie Nickel Metal Hydride et du groupe motopropulseur de 130 000 à 150 000 miles (240 000 km). Les VE peuvent donc égaler ou dépasser les kilomètres du cycle de vie de véhicules à moteur à combustion interne comparables. « En juin 2003, les 320 RAV4 EV de la flotte de la SCE étaient principalement utilisés par les releveurs de compteurs, les gestionnaires de services, les représentants sur le terrain, les planificateurs de services et les manutentionnaires du courrier, ainsi que pour les patrouilles de sécurité et le covoiturage. En cinq ans d’exploitation, la flotte de RAV4 EV a parcouru plus de 6,9 millions de kilomètres, éliminant environ 830 tonnes de polluants atmosphériques et évitant plus de 3 700 tonnes d’émissions de dioxyde de carbone à l’échappement. Compte tenu du bon fonctionnement de ses VE à ce jour, SCE prévoit de continuer à les utiliser bien après qu’ils aient tous parcouru 100 000 miles. »

Les batteries lithium-ion sont périssables dans une certaine mesure ; elles perdent une partie de leur capacité de stockage maximale par an, même si elles ne sont pas utilisées. Les batteries nickel-métal-hydrure perdent beaucoup moins de capacité et sont moins chères pour la capacité de stockage qu’elles donnent, mais ont une capacité totale inférieure au départ pour le même poids.

La Baker Electric de 1909 de Jay Leno fonctionne toujours sur ses cellules Edison d’origine. Les coûts de remplacement de la batterie des VEB peuvent être partiellement ou totalement compensés par l’absence d’entretien régulier, comme les changements d’huile et de filtre nécessaires pour les véhicules à moteur à combustion interne, et par la plus grande fiabilité des VEB en raison du nombre réduit de pièces mobiles. Ils suppriment également de nombreuses autres pièces qui nécessitent normalement un entretien et une maintenance dans une voiture ordinaire, comme la boîte de vitesses, le système de refroidissement et le réglage du moteur. Et au moment où les batteries doivent finalement être remplacées, elles peuvent être remplacées par des batteries de génération ultérieure qui peuvent offrir de meilleures caractéristiques de performance.

Les batteries au phosphate de fer lithium atteignent, selon le fabricant, plus de 5000 cycles à une profondeur de décharge respective de 70%. BYD, le plus grand fabricant mondial de batteries lithium fer phosphate, a développé une large gamme de cellules pour les applications à cycle profond. Ces batteries sont utilisées dans les systèmes de stockage stationnaires. Après 7500 cycles, avec une décharge de 85%, elles ont encore une capacité de réserve d’au moins 80% à un taux de 1 C ; ce qui correspond à un cycle complet par jour à une durée de vie d’au moins 20,5 ans. La batterie lithium-fer-phosphate développée par Sony Fortelion a une capacité résiduelle de 71% après 10 000 cycles à un niveau de décharge de 100%. Cette batterie est sur le marché depuis 2009.

Utilisées conjointement avec des panneaux solaires, les batteries lithium-ion ont en partie une résistance aux cycles très élevée de plus de 10 000 cycles de charge et de décharge et une longue durée de vie allant jusqu’à 20 ans.

Plug-in America a mené une enquête auprès des conducteurs de Tesla Roadster (2008) concernant la durée de vie de leurs batteries. Il a été constaté qu’après 100 mi (160 km), la batterie avait encore une capacité restante de 80 à 85 %, quelle que soit la zone climatique dans laquelle la voiture était conduite. Tesla garantit la Model S avec une batterie de 85 kWh pour un kilométrage illimité dans une période de 8 ans.

Varta Storage offre une garantie de 14 000 cycles complets et une durée de vie de 10 ans.

En décembre 2016, la voiture électrique la plus vendue de tous les temps au monde est la Nissan Leaf, avec plus de 250 000 unités vendues depuis sa création en 2010. Nissan a déclaré en 2015 que jusqu’alors, seulement 0,01 % des batteries devaient être remplacées en raison de défaillances ou de problèmes, et ce uniquement en raison de dommages infligés de l’extérieur. Il y a quelques véhicules qui ont déjà parcouru plus de 200 000 km ; aucun d’entre eux n’a eu de problème avec la batterie.

Les batteries Li-ion perdent généralement 2,3 % de capacité par an. Les packs de batteries Li-ion refroidis par liquide perdent moins de capacité par an que les packs refroidis par air.

RecyclageEdit

À la fin de leur vie utile, les batteries peuvent être réutilisées ou recyclées. Avec la croissance internationale significative des ventes de VE, le département américain de l’énergie a mis en place un programme de recherche pour étudier les méthodologies de recyclage des batteries lithium-ion usagées des VE. Les méthodes actuellement à l’étude comprennent la pyrométallurgie (réduction en éléments), l’hydrométallurgie (réduction en métaux constitutifs) et le recyclage direct (rétablissement des propriétés électrochimiques avec maintien de la structure des matériaux d’origine).

Bloomberg BNEF a prévu que l’industrie des batteries de voitures électriques vaudra plus de 500 milliards de dollars d’ici 2050, car l’adoption des véhicules électriques s’accélère dans les années intermédiaires

Véhicule-à-réseauModifier

Le réseau intelligent permet aux VEB de fournir de l’énergie au réseau à tout moment, notamment :

• Pendant les périodes de charge de pointe (Lorsque le prix de vente de l’électricité peut être très élevé. Les véhicules peuvent alors être rechargés pendant les heures creuses à des tarifs plus avantageux, ce qui permet d’absorber l’excès de production nocturne. Les véhicules servent de système de stockage de batterie distribué pour tamponner l’énergie.)
• Pendant les pannes de courant, comme sources d’énergie de secours.

SécuritéEdit

Les questions de sécurité des véhicules électriques à batterie sont largement traitées par la norme internationale ISO 6469. Cette norme est divisée en trois parties :

• Le stockage de l’énergie électrique à bord, c’est-à-dire la batterie
• Moyens de sécurité fonctionnels et protection contre les défaillances
• Protection des personnes contre les risques électriques.

Les pompiers et le personnel de secours reçoivent une formation spéciale pour faire face aux tensions plus élevées et aux produits chimiques rencontrés dans les accidents de véhicules électriques et hybrides. Si les accidents de VEB peuvent présenter des problèmes inhabituels, tels que des incendies et des fumées résultant d’une décharge rapide de la batterie, de nombreux experts s’accordent à dire que les batteries des VEB sont sûres dans les véhicules disponibles dans le commerce et dans les collisions par l’arrière, et qu’elles sont plus sûres que les voitures à essence équipées de réservoirs arrière.

En général, les tests de performance des batteries comprennent la détermination de :

• État de charge (SOC)
• État de santé (SOH)
• Efficacité énergétique

Les tests de performance simulent les cycles de conduite des groupes motopropulseurs des véhicules électriques à batterie (BEV), des véhicules électriques hybrides (HEV) et des véhicules électriques hybrides rechargeables (PHEV) selon les spécifications requises par les constructeurs automobiles (OEM). Pendant ces cycles d’entraînement, un refroidissement contrôlé de la batterie peut être effectué, simulant les conditions thermiques dans la voiture.

En outre, les chambres climatiques contrôlent les conditions environnementales pendant les essais et permettent de simuler toute la gamme de températures et les conditions climatiques de l’automobile.

PatentsEdit

Les brevets peuvent être utilisés pour supprimer le développement ou le déploiement de la technologie des batteries. Par exemple, les brevets relatifs à l’utilisation des cellules d’hydrure métallique de nickel dans les voitures étaient détenus par une ramification de Chevron Corporation, une société pétrolière, qui maintenait un droit de veto sur toute vente ou licence de la technologie NiMH.

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