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Les batteries des VE...

Généralités

Les modules de batteries des véhicules électriques ont la même fonction qu'un réservoir de carburant dans un véhicule conventionnel : ils stockent de l'énergie nécessaire au fonctionnement du véhicule. Un module de batteries contient généralement de 10 à 52 batteries individuelles de 6, 8 ou 12 Volts, similaires aux batteries de démarrage des véhicules conventionnels à carburant.

Alors qu'un réservoir de carburant peut contenir suffisamment d'énergie pour parcourir 400 à 800 Km avant de nécessiter un plein, la génération actuelle des batteries ne peut contenir que l'équivalent de 80 à 250 Km entre chaque recharge.

Le principe d'une batterie est simple : entre deux matériaux différents (électrodes), immergés dans une solution (électrolyte), une différence de potentiel apparaît. C'est l'énergie électrique. De nombreux types de batteries existent, mais peu conviennent à l'application de traction électrique.

L'autonomie d'un véhicule électrique dépend à environ 70 % de la capacité de la batterie. Les 30 % restant sont inhérents à l'efficacité globale du véhicule. Pour l'augmenter, il suffirait d'ajouter des batteries, comme on augmenterait la taille d'un réservoir. Mais ainsi, on augmenterait considérablement le poids du véhicule pour un faible gain en autonomie. Néanmoins, des solutions existent pour donner à un véhicule purement électrique ZEV, l'autonomie d'un véhicule conventionnel, comme les "Low-Emission Range Extender" : un dispositif hybride annexe à très faibles rejets, générateur d'énergie électrique alimentant directement le moteur.

Les batteries sont caractérisées par : 

  • leur durée de vie en nombre de cycles de charge/décharge : elle est considérée comme terminée lorsque la capacité de la batterie chute en dessous d'une valeur prédéfinie (par exemple : 70 % de la capacité nominale),

  • leur densité d'énergie : qui établie la relation entre le poids de la batterie et l'énergie contenue,

  • leur densité de puissance ou puissance spécifique : est une mesure de la puissance (ou du courant) maximum délivrable,

  • leur poids, leur volume...

Mais dans une quête sans cesse pour augmenter l'autonomie et les performances des véhicules électriques, des batteries ont été développées pour stocker une plus grande quantité d'énergie pour un même volume et un même poids. Les objectifs à long terme devraient permettre d'envisager des VE avec une autonomie de 350 Km et une durée de vie des batteries supérieure à plus de 160 000 Km.

Actuellement, les technologies développées nous donnent les résultats suivants :

  Densité d'énergie (Wh/Kg) Densité de Puissance (W/Kg) Durée de vie en cycles
Plomb/Acide nouvelle génération 48 150 600 à 1000
Nickel-Cadnium 50 175 1500 à 2000
GM Ovonic nickel metal hydride 70 220 > 600
SAFT nickel metal hydride 70 150 1500
SAFT lithium ion 120 230 600
Zinc-Bromine 70 100 < 1000
Zinc-Air 180 125 < 400
Lithium polymer 150 350 < 600
ZEBRA sodium-nickel chloride 86 150 < 1000

 

Les différentes technologies de batteries

La batterie Plomb-Acide (Pb)

Inventée en 1860 par Gaston PLANTE, elle est la plus répandue des batteries utilisées dans le monde, toutes utilisations confondues, mais aussi et surtout la plus commune en traction électrique pour les véhicules électriques.

Dans sa forme primaire, elle est constituée d'une plaque de Plomb (électrode négative), et d'une plaque de dioxyde de Plomb (électrode positive) plongées dans une solution diluée d'Acide sulfurique (densité 1,28 pour une batterie complètement chargée et 1,12 pour une batterie déchargée).

Batteries à électrodes plates :

Les plus connus de ces batteries, sont les SLI (Starting, Lightning, Ignition) utilisées dans les voitures conventionnelles. Elles sont conçues pour fournir un très fort courant au démarrage : les plaques sont très fines pour obtenir une surface active la plus grande possible et dégagé ainsi un fort courant. Une batterie de voiture conventionnelle n'est pas prévue pour des cycles de charge/décharge importants et répétés tels que réclame le fonctionnement d'un VE. C'est sa durée de vie qui est alors mise en cause. on utilise alors des batteries de "semi-traction" réalisées avec des plaques plus épaisses et supportant des cycles plus importants.

Leur densité énergétique est importante et leur coût est faible comparé aux autres technologies. Leur durée de vie est de l'ordre de 500 à 800 cycles : leur utilisation est recommandée pour des applications comme les voiturettes de golf.

Batteries à électrodes cylindriques :

Les électrodes positives sont fabriquées dans un matériau poreux contenant du dioxyde de Plomb. Une structure centrale en Plomb sert de conducteur de courant. Particulièrement recommandée pour des utilisations industrielles à fortes charges, elles conviennent pour la traction électrique. Avec une durée de vie de plus de 1500 cycles, et une densité d'énergie de 28 jusqu'à 33 Wh/Kg (qui plus elle est élevée, moins la durée de vie est importante), elle possède néanmoins une plus forte résistance interne (en Ohm) qui diminue la puissance spécifique.

L'électrolyse de l'électrolyte durant la charge de la batterie consomme de l'eau. La maintenance des batteries à électrodes plates ou cylindriques réclame donc une mise à niveau régulier avec de l'eau distillée.

Batteries à soupape :

Il s'agit de batteries sans entretien, mais qui n'ont pas grand chose à voir avec les batteries Plomb-Acide classiques. Si le principe de base reste le même (plaques de plomb et acide sulfurique liquide), le boîtier est cependant totalement hermétique puisque, à aucun moment, la batterie n'aura besoin d'un apport d'eau supplémentaire. Une soupape de sécurité permet de libérer les gaz de manière contrôlée, si des concentrations d'oxygène ou d'hydrogène devaient exceptionnellement provoquer une surpression, et sont appelées à juste titre "valve regulated lead acid battery". En se recombinant dans l'électrolyte, les deux gaz se transforment à nouveau en eau. Elles obtiennent une densité de puissance de 300 W/Kg pour 21,5 Kg, 12 V et 60 Ah.

Batteries sans entretien :

Recherchées pour des applications de traction électrique, elles demeurent plus chères avec une durée de vie de 600 à 800 cycles. Elles sont aussi beaucoup plus sensibles aux fortes décharges et surcharges ; elles doivent donc être associées avec des chargeurs adaptés.

En résumé :

Globalement, les batteries au Plomb, sont celles qui peuvent permettre le développement rapide des VE. Leur prix bas et leur disponibilité en font les chevaux de bataille de bien des petits constructeurs de VE.

(compte rendu de conférence : Lead-Acid batteries : Key to EV commercialization)

(voir batterie de traction au Plomb : HAWKER)

(voir notes constructeurs automobiles sur l'entretien des batteries conventionnelles)

 

La batterie Nickel-Cadnium (NiCd)

Inventée par Thomas Alva EDISON.

Elle est constituée d'une électrode positive en oxyde de nickel et d'une électrode négative en Cadnium. L'électrolyte est une solution d'hydroxyde de potassium (de la soude). Comparée à la batterie au Plomb, elle possède une densité d'énergie plus importante et surtout une puissance spécifique sans commune mesure. Sa durée de vie est de l'ordre de 2000 cycles. Elle se recharge rapidement et supporte des états de décharge importants. Pleine reprise des capacités (performances) après recharge. Ces batteries sont conçues pour résister à la surcharge.

Le voltage lors de la décharge reste stable, même si la consommation augmente fortement. Pour le matériel ayant besoin d'un courant dérivé de haute-cadence, ce type de batterie est plus  stable que les autres. Les performances ne sont pas altérées, même en cas de non utilisation prolongée.

Mais son efficacité énergétique est faible, ce qui veut dire une forte consommation d'énergie (chaleur) et une maintenance importante. Comme dans la batterie au Plomb, il y a consommation d'eau lors de l'électrolyse de l'électrolyte, mais de manière plus importante.

Son prix, 4 fois supérieur à celui de la batterie au Plomb, et le contrôle de sa température de fonctionnement par un dispositif de refroidissement (ou de réchauffement) sont ces principaux inconvénients.

(voir site dédié aux batteries NiCd et NiMH)

 

La batterie au Nickel-Metal Hydride (NiMH)

Fortement apparentée avec la batterie au NiCd, elle utilise elle aussi un électrolyte alcalin. Le Cadnium n'est pas utilisé, ce qui représente un plus pour l'environnement et un autre pour le coût, vu la rareté de ce matériau.

(voir site dédié aux batteries NiCd et NiMH)

La batterie au Sodium-Soufre

Très différente des précédentes, elle dispose d'électrodes liquides et d'un électrolyte solide. Sa température de fonctionnement approche les 300°C. Sa constitution est donc réalisée autour de nombreuses cellules individuelles assemblées dans une structure thermique. Sa durée de vie et la sécurité de son utilisation sont des facteurs qui freinent considérablement sa commercialisation.

 

La batterie au chlorure de Sodium-Nickel

Cette batterie connue sous le nom de ZEBRA, est similaire à la précédente. L'électrode négative est en Sodium et l'électrode positive est réalisée en chlorure de Nickel. Cette dernière est solide, et connectée à l'électrolyte solide, en matériau céramique, par un liquide électrolytique en fusion (NaAlCl4).

Disposant de caractéristiques intéressantes pour les VE, sa production prototype lancée par DAIMLER-BENZ, a été reprise par une société suisse MES, qui espère obtenir pour le courant 2000, des batteries à capacité de 17,6 à 17,8 kWh, d'une hauteur réduite de 300 mm. Le système de commande des batteries et les interfaces ont été rassemblés au sein d'un même élément, qui est maintenant relié de manière fixe à la batterie.

 

La batterie au Zinc-Bromine

Il s'agit d'un système électrochimique complexe, construit autour d'une cellule de réaction, appelée "stack", et d'un électrolyte circulant. L'électrolyte est stocké dans des réservoirs séparés, avec d'une part une solution de zinc et d'autre part un composé complexe de Bromine. Sa structure compliquée et la toxicité du Bromine, cantonne cette batterie à l'état expérimental.

 

La batterie Zinc-Air

Elle ne peut être rechargée par le réseau électrique domestique, mais par un procédé électrochimique qui régénère les électrodes de Zinc pour un nouveau cycle. Son application dans les VE, impliquerait le retrait du module batterie du véhicule pour la recharge. Lourd, complexe, ce principe présente néanmoins des avantages.

 

Le moteur et le contrôleur...

 

Réalisé à partir de traductions d'éléments présents sur les sites de l'AVERE et du DOE.

 

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