Technique : batterie Li-ion

Technique : batterie Li-ion

Guillaume Darding - 17 mars 2021

Les batteries Li-ion influencent directement les prestations offertes par un véhicule électrique dont leur puissance, leur masse, leur autonomie et leur temps de charge, sans oublier que le coût des batteries pèsent significativement dans le prix total d'un véhicule neuf. Aussi, il est important d'optimiser chaque aspect de la batterie pour en garantir la performance et la longévité.

Constitution d'une batterie

Une batterie est constituée de multiples cellules reliées entre elles pour fournir une grande quantité d'énergie. Chaque cellule est composée de 4 élements principaux :

  • la cathode
  • l'anode
  • l'électrolyte
  • le séparateur

Le lithium (ou plutôt l'oxyde de lithium, le lithium pur étant un élement instable), est le matériau favorisé pour la constitution des batteries car il présente la meilleure densité énergétique (rapport entre la capacité énergétique et la masse) grâce à son potentiel électrique élevé.

Extraction du lithium

Principe de fonctionnement

Le fonctionnement d'une cellule est lié à des phénomènes électrochimiques : des réactions chimiques au sein des cellules permettent de générer de l'électricité.

Principaux élements d'une cellule li-ion

Lorsque la cellule est complètement chargée, le lithium, sous forme ionique, est stocké dans une structure d'accueil du côté de l'anode. Lorsqu'il y a une demande en électricité, le lithium est oxydé et relâche des électrons. Le lithium circule vers l'autre électrode (la cathode) à travers l'électrolyte tandis que les électrons empruntent le circuit électrique pour alimenter les différents organes.

Lorsque le lithium atteint la cathode, celui-ci réagit avec la matière active de la cathode et les électrons qui ont parcouru le circuit électrique pour y être stocké (réduction). Lors de la charge de la batterie, ce sont les réactions inverses qui se produisent pour déplacer les ions lithium vers l'anode en graphite.

Réactions chimiques cellules li-ion

Les électrons sont introduits de l'électrode vers le circuit électrique (et vice-versa) à l'aide d'un collecteur de courant en cuivre (à l'anode) ou en aluminium (côté cathode).

Note : dans cet article, l'anode est systématiquement rattachée à l'électrode négative (-) et la cathode à l'électrode positive (+), ce qui est vrai lorsque la batterie se décharge, mais qui est un abus de langage lors de la recharge. Pour une batterie, l'anode est normalement le siège de l'oxydation et la cathode le siège de la réduction.

Formats de cellule

Il existe 3 formats de cellules :

  • les cellules cylindriques, similaires à la forme d'une pile classique
  • les cellules prismatiques
  • les cellules pouch (ou cellule "poches")

Dans l'industrie automobile, les cellules cylindriques sont essentiellement utilisées par Tesla, les cellules prismatiques par BMW (et Tesla pour ses batteries LFP) tandis que les autres constructeurs ont généralement recours aux cellules pouch.

type de cellules li-ion pour les batteries de véhicules électriques

Les cellules cylindriques sont le format dont le processus de fabrication est le mieux maitrîsé car le plus ancien. En revanche, la petite taille de ces cellules limite leur capacité et il en faut un nombre très important pour constituer la batterie d'un véhicule électrique.

Les cellules pouch offrent une meilleure gestion de l'espace grâce à leur forme de parallépipède rectangle et à leur fines parois en aluminium souple. Ce type de cellule est le plus couramment utilisé pour la fabrication des batteries des véhicules électriques.

Les cellules pouch ont une capacité énergétique bien plus importantes que les cellules cylindriques de par leur taille. Néanmoins, comme il y peu d'espace entre les cellules, il est plus complexe de gérer la température de chaque cellule. Enfin, à cause de leurs parois fines, elles sont plus sujettes au gonflement. A cet effet, il est préférable de disposer les cellules à la verticale côte à côte plutôt que de les empiler horizontalement.

Les cellules prismatiques sont similaires, dans leur forme, aux cellules pouch. Néanmoins, dans le cas des cellules pouch, les électrodes sont planes tandis qu'elles sont pliées une ou plusieurs fois dans une cellule prismatique. Ces dernières ont des parois rigides, ce qui empêche la dilatation des cellules, mais c'est au prix d'une capacité énergétique plus faible que les cellules pouch du fait des parois plus épaisses.

Constitution des différents types de cellules li-ion pour véhicules électriques

Unités et caractéristiques

La tension d'une batterie est exprimée en volt (V) tandis que l'intensité du courant est exprimée en ampère (A). La tension d'une cellule est déterminée par la différence de potentiel électrique entre l'anode et la cathode. La puissance de charge est exprimée en watt (W) : elle est le produit de la tension de la borne de recharge et de l'intensité du courant qui l'alimente.

La capacité énergétique de la batterie est exprimée en kilowatt-heure (kWh) : cette valeur représente la quantité d'énergie disponible dans la batterie et détermine l'autonomie d'un véhicule électrique. Ce nombre correspond à la puissance que peut délivrer la batterie pendant une heure.

La capacité de charge d'une batterie est communément exprimée en ampère-heure (Ah), bien que l'unité officiel du système international soit le coulomb (C). Cette donnée détermine l'intensité maximum utilisable pour recharger la batterie.

La densité énergétique (Wh/kg) représente la quantité d'énergie disponible dans la batterie divisée par la masse de la batterie.

Citroën e-C4 - vue du moteur et de la batterie

La durée de charge d'une batterie est géneralement exprimée selon 2 critères :

  • charge lente (en courant alternatif) : durée, en heures, pour charger la batterie de 0% à 100% en précisant la puissance de charge
  • charge rapide (en courant continu) : durée, en minutes, pour charger la batterie de 0% (ou 20%) à 80%

Le niveau de charge d'une batterie (souvent appelé SoC de l'anglais State of Charge) est exprimé en pourcentage (%).

Arrangement des cellules

Comme une seule cellule n'est pas suffisante pour fournir la tension et la capacité nécessaires pour animer un véhicule, les cellules doivent être organisées à l'aide de montages en série et en parallèle.

Selon les lois régissant les propriétés des circuits :

  • La mise en série des cellules permet d'augmenter la tension de la batterie
  • La mise en parallèle des cellules permet d'augmenter l'intensité du courant

circuits de montage en série / en parallèle des cellules li-ion

Dans l'exemple ci-dessus, les cellules sont agencées selon le schéma 4S3P, c'est-à-dire 4 groupes en série (4S) de chacun 3 cellules en parallèle (3P).

Exemples : Tesla Model 3 & Audi e-tron quattro

La batterie de la Tesla Model 3 Grande Autonomie (et Performance) est divisée en 4 modules rectangulaires logés sous l'habitacle. Au centre sont logés 2 modules de 25 groupes et 2 modules de 23 groupes de chaque côté, chaque groupe étant constitué de respectivement de 46 cellules en parallèle. Les modules et les groupes de cellules sont reliés en série entre eux.

La batterie de la Model 3 Grande Autonomie est constituée d'un total de 4.416 cellules de type 2170. Les cellules 2170 sont des cellules cylindriques de 21 mm de diamètre et d'une hauteur de 70 mm. Chaque cellule a une capacité utilisable de 4,65 Ah et une tension usuelle de 3,65 V.

Au total, il y a donc 96 groupes de cellules montées en série (2x25 + 2x23), ce qui permet d'obtenir une tension de 350 V. La capacité de la batterie est de 74,9 kWh.

Tesla Model 3 - vue de trois quart avant

La batterie de l'Audi e-tron quattro est constituée de cellules de type pouch. Chaque cellule a une tension de 3.67 V et une capacité de 60 Ah.

Les cellules sont organisées en 36 modules reliés en série. Chaque module est constitué de 3 groupes eux-mêmes reliés en série. Chaque groupe comprend 4 cellules reliées en parallèle (55 quattro), 3 dans le cas de la version 50 quattro.

La tension de la batterie est donc de 396 V (36 x 3 x 3,67) et la capacité de 95 kWh (55 quattro) ou 71,2 kWh (50 quattro). La version 55 compte 432 cellules pouch contre 324 pour la version 50.

Audi e-tron 55 sportback quattro devant un téléphérique

Cathode

Pour les véhicules électriques, trois types de cathodes sont généralement utilisées :

  • les cathodes NMC (Nickel-Manganèse-Cobalt) utilisées par tous les constructeurs sauf Tesla
  • les cathodes NCA (Nickel-Cobalt-Aluminium) utilisées dans toutes les Tesla sauf la Model 3 Autonomie Standard Plus 2021 produite en Chine
  • les cathodes LFP (Lithium-Fer-Phosphate) utilisées dans les Tesla Model 3 Autonomie Standard Plus 2021 produites en Chine

Vue des moteurs et de la batterie - Mercedes EQC

Les cathodes NMC sont utilisées dans la plupart des véhicules car elles offrent le meilleur compromis possible entre coût, densité énergétique et sécurite. Les cathodes NCA utilisées par Tesla sont moins coûteuses (car elles utilisent moins de cobalt) et ont une meilleure densité énergétique. Toutefois, les cathodes NCA demandent une gestion de la température plus fine de la batterie car les cathodes NCA se dégradent à partir d'une température plus faible que les cathodes NMC.

Les cathodes LFP permettent de se passer complètement de cobalt, mais c'est au prix d'une densité énergétique plus faible. Le prix des cellulles LFP reste comparable aux autres types de cellule. Parmi les autres avantages, la dégradation de la capacité est moindre et les cellules LFP sont moins sensibles aux phénomènes de surtension.

En revanche, le taux d'auto-décharge est un peu plus marqué dans le cas des cellules LFP, ce qui peut générer, à terme, des déséquilibres importants de cellule à cellule. Pour éviter cela, il convient de charger plus régulièrement son véhicule à 100% afin que le système de gestion de la batterie procède régulièrement à un équilibrage des cellules.

Tesla Model 3 restylée rouge

Utilisation du cobalt

Les constructeurs cherchent à minimiser l'emploi de cobalt dans les batteries, voire à le supprimer. Outre son prix élevé et volatile, l'extraction du cobalt, majoritairement issu de la République Démocratique du Congo (60% environ de la production mondiale) est largement contreversée. Le nickel, deux fois moins cher, se substitue généralement au cobalt.

Les premières cellules Li-ion utilisaient des cathodes NMC 111 (chaque chiffre représentant la proportion de chacun des 3 métaux) composées de 33% de nickel, 33% de manganèse et 33% de cobalt. La norme se base désormais sur des cathodes NMC 622 (60% de nickel, 20% de manganèse et 20% de cobalt).

A court terme, la part de cobalt devrait encore être réduite pour se limiter à 10% du contenu de la cathode (NMC 811), voire inexistante (cathode LFP). Concernant la cathode NCA utilisée par Tesla, cette dernière contient environ 15% de cobalt.

Peugeot e-208 en train de charger sa batterie

Anode

L'anode, généralement en graphite, a pour rôle d'accueillir les ions de lithium lorsque la batterie est chargée. Lorsque le circuit électrique nécessite de la puissance, un électron se sépare d'un ion lithium tandis que l'ion lithium va trouver refuge dans la cathode. 

Dans un futur proche, les anodes pourraient faire appel au silicium et/ou au graphène. Ces 2 matériaux ont d'excellentes qualités de stockage, ce qui permet d'augmenter la densité énergétique des cellules. De plus, le silicium est un matériau très présent sur terre et peu onéreux. En revanche, une fois chargé en lithium, il se dilate fortement, ce qui génère de fortes pressions au sein de la cellule au point de mettre en péril sa durabilité : c'est pour cette raison que le silicium n'est pas encore utilisé sur un véhicule de série.

Actuellement, certaines anodes sont légèrement enrichies en silicium (Tesla Model 3) : un bon compromis qui permet d'améliorer sensiblement la densité énergique sans remettre en cause la fiabilité de la cellule.

Production de la batterie de l'Audi e-tron 55 quattro

Electrolyte

L'anode et la cathode baignent dans l'électrolyte, un liquide (ou un gel) qui facilite le transport des ions d'une électrode à l'autre (haute conductivité ionique). L'électrolyte est constitué de sels de lithium et de solvants. Les cristaux de sels permettent de transporter les ions. Les solvants permettent de dissoudre le sel au sein de l'électrolyte dans une solution homogène. La composition de l'électrolyte est essentielle pour assurer un transport rapide des ions de l'anode vers la cathode et vice-versa. La viscosité doit rester suffisamment stable sur l'ensemble de la plage de température de fonctionnement de la batterie.

Séparateur

Le séparateur est une barrière physique entre l'anode et la cathode. Il ne laisse passer que les ions et bloque les électrons. Il s'agit généralement d'un film plastique fin microperforé (les trous étant d'un diamètre de l'ordre de 0,1 micron).

Honda e 2020

Masse et emplacement de la batterie

Pour une batterie de 50 kWh, la masse totale des cellules (hors systèmes de gestion de la batterie et protection contre les chocs) est de l'ordre de 230 kg, la masse de lithium est de l'ordre de 8 kg, la masse de nickel est de l'ordre de 18 kg, la masse de manganèse représente environ 6 kg tandis que la masse de cobalt est d'environ 6 kg (considérant une cathode de type NMC 622).

La batterie étant un élement très lourd, il est indispensable de la positionner au plus bas dans le véhicule et le plus au centre possible : sa place logique se trouve donc entre les 4 roues du véhicule sous les passagers. Néamoins, cela suppose de repenser le châssis du véhicule pour trouver le bon compromis entre capacité de la batterie et espace disponible.

Emplacement de la batterie - dégagement pour les pieds des passagers arrière - Audi e-tron GT quattro

Pour les premières générations de véhicules électriques (comme l'e-Golf), les véhicules étaient pensés pour des moteurs à combustion : les batteries étaient positionnées dans le tunnel de transmission et dans le coffre. Toutefois, l'espace disponible est limité et nécessite généralement de rogner sur le volume du coffre : la capacité des batteries reste limitée et la forme complexe de la batterie complique le refroidissement homogène de cette dernière.

Les générations actuelles des véhicules électriques ont été conçues dès le départ pour tenir compte des spécificités du mode de propulsion électrique (à l'exception notable de la Peugeot e-208 dont la plateforme a été conçue pour accueillir aussi bien des moteurs à combustion que des moteurs électriques).

Comparaison emplacement batterie entre Volkswagen e-Golf et ID.3

Ainsi, la Volkswagen ID.3, qui a succédé à l'e-Golf dans la gamme électrique du constructeur allemand, s'appuie sur une plateforme spécifique (dénommée MEB) et propose, sensiblement dans le même encombrement que la e-Golf, une bien meilleure capacité (doublée dans le cas de la batterie de 77 kWh), une bien meilleure habitabilité (notamment pour les passagers arrière), tout en proposant un coffre de taille similaire à celle d'une Golf à moteur thermique.

Gestion de la charge

Les batteries Li-ion sont rechargées selon la stragégie CC-CV et cette méthode comporte 3 phases :

  • Pré-charge
  • CC (Constant Current)
  • CV (Constant Voltage)

Illustration stratégie de charge CC-CV batterie Li-ion véhicules électriques

La phase de pré-charge consiste à charger la batterie à faible intensité pour la préchauffer (si la température des cellules est trop faible) ou abaisser la température des cellules (après une forte sollicitation du véhicule).  Dans certains véhicules, lorsque le conducteur programme son itinéraire à l'aide de son système de navigation et que l'itinéraire prévoit un arrêt-recharge, le véhicule déclenche automatiquement le conditionnement de la batterie quelques kilomètres avant d'atteindre la borne, ceci afin de réduire la durée de la phase de pré-charge.

La phase CC est la phase où la puissance de charge est la plus élevée. La tension des cellules monte graduellement et l'intensité du courant est maximum (elle est fonction de la capacité des batteries et de la température).

Cette première phase prend fin lorsque les cellules atteignent leur tension nominale. A cet instant, le processus de charge bascule en mode CV : l'intensité est fortement réduite pour que la tension de la cellule n'augmente plus. La charge s'interrompt lorsque l'intensité devient très faible (environ 5% de l'intensité nominale).

Puissance et durée de charge en fonction du niveau de charge de la batterie

Au fur et à mesure de la charge, les ions lithium s'accumulent dans l'anode et plus le niveau de charge de la batterie est élevé, moins il y a de sites d'insertion disponibles pour l'intercalation du lithium avec le graphite et les électrons. Aussi, ce phénomène augmente la résistance interne de la cellule et, à courant constant, la tension de la cellule augmente.

Circulation des ions lithium entre la cathode et l'anode durant la charge et la décharge - batterie Li-ion pour véhicule électrique

Il faut veiller à ne pas dépasser la tension nominale de la cellule car, lorsque la tension est légèrement plus élevée que cette tension nominale (de l'ordre de 0,1 V environ), le lithium aura plus d'affinité à se recombiner avec un électron plutôt qu'avec le graphite de l'anode. Dans ce cas, le lithium prend une forme métallique et génère une couche autour de l'anode (lithium plating), empêchant les ions lithium d'atteindre les pores de l'anode.

D'autre part, en s'accumulant dans l'électrolyte sous forme métallique, le lithium peut former des dendrites suffisamment épaisses pouvant endommager le séparateur. Dans ce cas de figure, l'anode et la cathode sont en contact direct (court-circuit), ce qui amène à l'emballement thermique de la cellule et à un risque d'incendie.

Dacia Spring en charge

Equilibrage des cellules

Les caractéristiques (impédance et niveau de charge en particulier) varient légèrement de cellule à cellule et il se peut que la charge soit considérée complète parce qu'un groupe de cellule a déjà atteint son niveau de charge maximum tandis que les autres groupes de cellules n'ont pas été complètement rechargés. Pour éviter cela, le système de gestion de la batterie initie un équilibrage des cellules en augmentant la résistance des cellules complètement rechargées pour favoriser la circulation du courant dans les cellules ayant un niveau de charge plus faible.

Cet équilibrage a lieu lorsque le niveau de charge est de l'ordre de 95 % et se déclenche lorsque tous les consommateurs électriques sont éteints (système multimédia éteint et climatisation coupée, par exemple).

Renault Twingo électrique en charge

Estimation du niveau de charge

La tension aux bornes de la batterie étant relativement stable dans la zone de fonctionnement de la batterie (entre 5% de niveau de charge et 95%), l'estimation du niveau de charge s'appuyant sur la tension de la batterie serait très approximatif.

Aussi, pour mesurer le niveau de charge de la batterie, la méthode la plus couramment utilisée est le comptage de Coulomb. Cette méthode consiste à mesurer la quantité d'électricité qui entre et qui sort de la batterie. La mesure du niveau de charge de la batterie est ainsi beaucoup plus fiable. Néanmoins, il peut y avoir des dérives et utilisée telle quelle, le niveau de charge peut être erronné après quelques semaines avec une différence pouvant dépasser 10%, notamment du fait de l'auto-décharge.

Pour éviter cela, l'algorithme d'estimation du niveau de charge est donc bien plus complexe et diffère selon les constructeurs. En règle générale, une fonction d'auto-apprentissage (basée sur le kilométrage parcouru et la quantité d'énergie consommée ainsi que sur le temps de charge) permet d'éviter les dérives de l'estimation du niveau de charge. L'équilibrage des cellules aide aussi à l'amélioration de cette estimation.

Ecran central - niveau de charge - Porsche Taycan

Système de gestion de la batterie

Le BMS (Battery Management System) joue un rôle capital de manière à éviter une usure précoce des cellules et un disfonctionnement sévère de la batterie (risque d'incendie). A cet effet, le système de gestion de la batterie tient compte d'une multitude de paramètres tels que :

  • la quantité d'énergie reçue
  • la quantité d'énergie distribuée
  • la température des cellules / groupes / modules
  • la température extérieure
  • la température du liquide de refroidissement (le cas échéant)
  • la tension des cellules / groupes / modules

En règle générale, il y a un BMS maître et plusieurs BMS esclaves (un par groupe ou par module gestion décentralisée). Dans certains cas, la batterie est gérée par un seul BMS (gestion centralisée).

Vue éclatée batterie Audi e-tron Sportback 55 quattro

Boîtier de raccordement

Le boîtier de raccordement (autrement appelé Battery Junction Box - BJB) a pour fonction de relier la batterie aux autres composants électriques. Le boîtier de raccordement reçoit de l'énergie des organes suivants :

  • chargeur intégré (lorsque le véhicule est chargé en courant alternatif)
  • alimentation directe (lorsque le véhicule est alimenté en courant continu - charge rapides)

D'autre part, il va distribuer l'énergie :

  • au(x) moteur(s)
  • au convertisseur de courant DC/DC (courant continu / courant continu) de manière à alimenter la batterie 12V (servant à l'alimentation des accessoires du véhicules - systèmes multimédia, essuie-glaces, éclairage, etc.)

Vue détaillée batterie Audi e-tron GT quattro

En interne, le boîtier de raccordement va diriger l'énergie vers le BMS qui va ensuite distribuer cette dernière vers les modules / groupes de cellules / cellules.

Gestion de la température

La gestion de la température au sein des batteries Li-ion est primordiale, à la fois pour recharger la batterie à forte puissance et pour délivrer la quantité d'énergie nécessaire pour alimenter le moteur. La température idéale de fonctionnement d'une cellule est de l'ordre de 25 °C. Dans une fenêtre de plus ou moins 15 °C par rapport à la température optimale, les cellules conservent d'excellentes performances.

Risques liés à la température des cellules li-ion pour les batteries des véhicules électriques

Lorsque la température à l'intérieur des cellule est faible, la diffusion des ions lithium à travers l'électrolyte est lente (la résistance de la cellule est élevée) : le risque de surtension est donc élevé, ce qui favorise la formation de lithium métallique et de dendrites. Si un courant de forte intensité est maintenu dans ces conditions, paradoxalement, la température au sein de la cellule va aussi s'élever significativement.

Lorsque la température de la cellule augmente au-delà de 70 °C, le revêtement de l'anode (SEI - Solid Electrode Interphase) grossit significativement, devient plus poreux et instable. Le revêtement peut alors piéger du lithium et ne plus le relâcher, ce qui est la cause principale de la perte de capacité d'une cellule.

Enfin, lorsque la température augmente de manière incontrôlée au-dela de 150 °C environ, l'électrolyte se décompose jusqu'à relâcher des gaz nocifs et l'expansion significative de l'anode conduit à une pression importante au sein de la cellule. Ces phénomènes conduisent à l'incendie de la batterie.

Emballement thermique d'une cellule Li-ion - risque d'incendie batterie véhicule électrique

Le refroidissement de la batterie peut se faire par circulation d'air ou par circulation de liquide de refroidissement. Les batteries refroidies par air sont la solution la plus simple et la plus légère. C'est d'ailleurs pour cette raison que Volkswagen, pour établir son record de la course de côte de Pikes Peak avec l'I.D. R en moins de 8 minutes, a choisi cette technique. Parmi les véhicules de production, la Renault Zoé et la Nissan Leaf font appel à cette technologie.

La majeure partie des véhicules électriques fait plutôt confiance à un refroidissement par liquide, le liquide circulant à travers les cellules et les groupes de cellules pour évacuer plus efficacement la chaleur.

Enfin, pour limiter l'augmentation de température, il peut être intéressant de réduire l'intensité du courant en augmentant la tension de la batterie, comme pour la Porsche Taycan (et sa cousine Audi e-tron GT quattro) dont la tension de la batterie atteint 800 V.

Les 10 derniers commentaires sur le sujet (voir les 14 commentaires):

Guillaume Darding [administrateur]

20 mars 2021 à 23h43

Bonjour Etienne et merci beaucoup pour tes encouragements !
On manque encore de recul sur la longévité des batteries des véhicules électriques et il est donc compliqué de faire un état des lieux précis.

La première chose, c'est de se baser sur la garantie offerte par les constructeurs sur la batterie qui est généralement de 8 ans et 160.000 km (voire 240.000 pour la Tesla Model S) pour une capacité réduite de 30%. Néanmoins, ces limites sont largement sous-évaluées (le but étant de minimiser le nombre de prises en charge sous garantie.

La deuxième chose, c'est de se baser sur le nombre de cycles acceptables par la batterie. Pour une batterie Li-ion, il est communément admis une limite de 1.000 cycles complets de charge.
pour une batterie Li-ion, un cycle de charge se caractérise par une charge de 0 à 100% et il n'y a pas (ou marginalement) d'effet mémoire, ce qui fait qu'un cycle incomplet ne compte pas pour un cycle complet (par exemple, une recharge de 50% à 100% compte pour un demi-cycle).

Pour un véhicule électrique, il faut relativiser par les points suivants :
- les puissances élevées de charge/décharge vont avoir tendance à réduire la durée de vie de la batterie.
- la gestion de température des batteries des véhicules électriques est bien plus fine que sur la majeure partie des autres applications (notamment lorsque les batteries sont refroidies par liquide, ce qui est le cas de la majeure partie des véhicules électriques), ce qui a tendance à augmenter significativement la durée de vie de la batterie.
Personnellement, je pense que la gestion de la température va largement contribuer à un bilan positif et qu'on peut espérer conserver sa batterie bien au-delà des 1.000 cycles, disons 1.500 cycles.

Appliqué à une batterie de 50 kWh (pour une consommation moyenne de 200 Wh/km), cela donne une durée de vie théorique de 375.000 km (avec une capacité de la batterie dégradée d'environ 30%) pour une batterie utilisée dans des conditions normales de conduite et avec une majorité de charges dites lentes.
Guillaume Darding [administrateur]

20 mars 2021 à 23h45

Bonjour Stef, merci beaucoup pour vos encouragements !
Oooooops

16 juin 2021 à 10h42

Bonjour,
je découvre à l'instant cet article très documenté, et j'espère que vous allez pouvoir répondre à une question que je me pose depuis longtemps: je connaissais (en partie) le principe de charge d'une batterie au lithium, et ce que j'observe sur le monitoring de la prise secteur sur laquelle je recharge mes PHEV depuis 7 ans ne correspond pas à ce principe, illustré par le graphique "Puissance et durée de charge".
- je n'ai jamais constaté la phase de pré-charge
cela peut-il être dû au fait que je n'utilise pas une borne mais un CRO autorisant un maximum de 16A (3,7kW), ou à la résolution de mon système de monitoring (une mesure toutes les 10 secondes mais un seul résultat enregistré par minute)?
- sur l'Outlander PHEV, la dernière phase de charge, pendant laquelle la puissance décroît progressivement, était clairement visible (en cas de charge à intensité de 10A, les 50 dernières minutes montraient une diminution progressive de 2,3kW à 0kW). Donc OK.
Mais sur tous les autres PHEV que j'ai possédés/utilisés, cette phase n'est pas visible: sur la Golf GTE, le Renagade 4xE, le GLA 250e, en fin de charge la puissance passe brutalement de la puissance nominale prévue (par exemple 2,8kW si le CRO est réglé à 12A) à zéro; avec la limite déjà mentionnée de la résolution de mon système de monitoring, mais ça ne dépasse pas 2 minutes.

=> comment est-il possible que cette puissance soit constante, alors que l'intensité de charge appliquée aux cellules est censée passer progressivement de la valeur nominale à 0?

J'ajoute par ailleurs que dans tous les cas, la consommation totale relevée à la prise correspond bien à ce que le calcul théorique prenant en compte la capacité de la batterie et l'intensité de charge laisse prévoir, exemples:
- sur l'Outlander (batterie de 12kWH dont 9 utilisables, avec un rendement de charge de 85% -données constructeur-) avec un CRO 10A, à puissance constante la charge durerait un peu plus de 4h15, mais avec la baisse de puissance progressive pendant les 50 dernières minutes la recharge durait en réalité environ 5h15. Là c'est OK, et ça correspond bien à la théorie de la recharge.
- sur le GLA (batterie de 15,6kWh dont 10,8 utilisables, avec un rendement de charge de l'ordre de 82%) la recharge complète avec le CRO réglé à 12A prend environ 4h45 pour une puissance totale consommé de 13,2kWh. Si la puissance de charge baissait progressivement (comme sur l'Outlander) la durée d'une charge complète serait bien plus grande.
Guillaume Darding [administrateur]

18 juin 2021 à 14h13

Bonjour Oooooops et merci pour vos encouragements !

Concernant la phase de précharge, elle n'est effective que dans le cas d'une charge "rapide" (supérieure à 11 kW voire même 22 kW) pour éviter des variations importantes de température au sein de la batterie, ce qui serait dommageable pour sa longévité.

Pour ce qui est de l'intensité en fin de charge, il faut prendre en compte plusieurs paramètres tels que ​la génération et/ ou la technologie de batterie (ainsi que la gestion de la température de la batterie)
​ainsi quel e principe de précaution et/ ou l'expérience du constructeur (il faut, par exemple, se rappeler que Mitsubishi a fait l'objet de quelques cas de surchauffe sur les premiers Outlander PHEV)
Oooooops

22 juin 2021 à 16h59

Bonjour Guillaume,

merci pour les précisions concernant la pré-charge et l'intensité de fin de charge chez Mitsu.

Cependant, désolé d'avance si j'ai mal compris, mais j'aimerais une confirmation sur le fait que sur 3 de mes PHEV la charge se fait à puissance constante du début à la fin, alors que très souvent on me parle de puissance décroissante à partir d'une certaine valeur de SoC: est-ce là aussi parce que cela concerne la charge "rapide", comme pour le graphique "Puissance et durée de charge"; et donc à contrario que ça ne se produit pas forcément quand on recharge à faible puissance (a priori avec un CRO, même à 16A, on est à environ C/2)?

Question subsidiaire: quid de la phase d'équilibrage des cellules, qui elle aussi devrait se traduire par une puissance de charge inférieure? elle se se produit pas quand on utilise un CRO?
Guillaume Darding [administrateur]

23 juin 2021 à 11h40

Bonjour Oooooops,

effectivement, tant qu'on reste sur un schéma de charge lente (puissance inférieure à 3,7 kW, soit une intensité de 16A en courant alternatif monophasé), la puissance de charge est suffisamment faible pour ne pas avoir besoin de réduire encore plus la puissance dans une optique de préserver les cellules. Il en va de même pour l'équilibrage des cellules.
pjmdur

19 juillet 2021 à 14h13

Bonjour Guillaume,

J'ai observé dans mes recherches, des courbes de décharges variables avec la température.
Je n'ai peut être pas interprété correctement ces courbes, visuellement, elles partent toutes de la même tension puis baissent immédiatement pour suivre des chemins parallèles en fonction de la température.
Ce sont des courbes en S.
J'observe qu'elles perdent environ en tension 1% par degré à partir de la température idéale de 25°C.
Sur mon PHEV, elles semblent conforme à la perte d'autonomie vs température indiquée par la jauge.
Pour évaluer l'autonomie, le constructeur fait-il une mesure de tension associée bien sur aux conditions précédentes d'utilisation comme l'indique le manuel?

Cordialement.

Guillaume Darding [administrateur]

19 juillet 2021 à 23h35

Bonjour pjmdur,

en fonction de la température de la batterie (ou, plus particulièrement, de la cellule), de son taux de charge/décharge et de son état de charge , la tension est amenée à varier. Seulement, dans le cas des véhicules électriques, la température de la batterie est régulée, ce qui fait que les performances de la batterie ne sont pas ou peu affectées par la température ambiante (le système de gestion de la température va se charger de garder la température de la batterie aux alentours de 25 °C dans des conditions normales de conduite).

Il serait compliqué et aléatoire de se baser sur la tension de la batterie car,comme vous le soulignez, entre 20% et 80% (approximativement), la tension est quasi-constante. C'est pour cette raison que le niveau de charge se base sur des méthodes apparentées au comptage de Coulomb (on mesure la quantité d'électricité qui rentre et qui sort).
La différence d'autonomie que vous constatez ne sont pas dûes à la température ambiante qui agit sur la batterie, mais plutôt au fait que vous allez utiliser le chauffage ou la climatisation, en particulier (en-dessous de 15 °C et au-dessus de 20 °C environ).
L'estimation de l'autonomie se fait à partir du niveau de charge de la batterie et de la consommation d'électricité moyenne sur les 30 dernières minutes (cela pouvant être un laps de temps plus ou moins court selon les fabricants).
pjmdur

20 juillet 2021 à 08h58

Merci Guillaume,

Si je comprends bien, l'autonomie prévisionnelle versus température tient effectivement compte de la nécessité de climatiser l'habitacle, ce qui est compréhensible, mais aussi de réchauffer par temps froid la batterie, ce qui peut nécessiter pas mal d'énergie.
A ce sujet , n'y a-t-il pas un auto échauffement de celle-ci dès qu'elle est sollicitée?
Guillaume Darding [administrateur]

21 juillet 2021 à 13h21

Bonjour pjmdur, non, le calcul de l'autonomie n'a aucun caractère prédictif. Elle ne prend en compte que le passé (30 minutes ou moins) pour faire son estimation. C'est largement satisfaisant et suffisamment précis dans la plupart des cas, mais peut aussi induire en erreur dans certains cas :
- conduite en montagne (où la consommation sera élevée dans les montées et où vous allez pouvoir régénérer significativement en descente).
- changement assez brutal des conditions météo (pluie, vent de face, baisse/ hausse de la température)
- etc.

Lors de la charge (rapide en particulier), la batterie s'échauffe et il faut particulièrement surveiller cela lorsque la température extérieure est froide (et que le véhicule n'a pas eu le temps de réguler la température de la batterie - ce qui peut être le cas de figure si vous ne disposez pas de prise pour recharger chez vous et que vous allez le recharger sur une borne rapide près de chez vous).

La batterie s'échauffe aussi lors de sa décharge (en phase de conduite). ce qui est généralement, en conduite sportive, le facteur limitant (plus que l'autonomie, l'échauffement du moteur ou l'échauffement des freins) des performances du véhicule.

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Commentaires
Karim78 à propos de l'article «Dossier: fonctionnement de la climatisation»

Il y a 11 heures

Je prend note de vos précieux conseils. Cela semble logique après tout mais je vérifierai avec un 2ème mécano sait-on jamais. Merci encore Guillaume !

thierryb à propos de l'article «Autonomie et consommation des véhicules électriques»

Hier

Merci, c'est très clair

Guillaume Darding à propos de l'article «Autonomie et consommation des véhicules électriques»

Hier

Bonjour Thierry, merci beaucoup pour tes encouragements ! Concernant la vitesse de 100 km/h, il n'y a pas de raison d'être pénalisé à rouler plus vite puisque la consommation n'est pas décompté pendant cette phase. Peut-être y-t-il un risque (je pense assez peu signifiant) d'être pénalisé si on considère que la marge d'erreur des appareils de mesure est plus grande à haute vitesse. Cette phase a vitesse constante a pour but unique d'accelérer le test de toute façon. Mis à part à avoir accès au dossier d'homologation, il n'est pas possible de connaître la vitesse utilisée par le constructeur. Concernant la consommation, la tension et l'intensité de la batterie sont mesurées en continu lors des tests (soit par un appareil de mesure externe, soit directement par le système de gestion de la batterie, si le constructeur démontre qu'il est suffisamment précis). Par la suite, il suffit de relever la tension et l'intensité moyenne durant les segments dynamiques pour en déduire la consommation. Concernant la puissance de charge, elle n'est pas clairement définie à ma connaissance, mais la charge doit utiliser le chargeur embarqué du véhicule (convertissant le courant alternatif de la source en courant continu) et se faire à vitesse "normale" (logiquement avec une intensité de 16A, soit l'équivalent d'une puissance de 3,7 kW). Concernant la fin du test, il s'arrête lorsque le véhicule tombe en panne (et non aux 0% réels de la batterie, sinon, il y a de grandes chances qu'elle soit endommagée dans le processus). Les tests se font systématiquement en laboratoire : il n'y a donc pas d'incidence due aux variations des conditions météorologiques. En espérant avoir répondu à l'ensemble de tes questions !

© Guillaume Darding

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