Faire toute la lumière sur la batterie du véhicule électrique 08 mar 2023
Le principe de la batterie est plus que centenaire, mais il a révolutionné notre époque. Aujourd’hui de nombreux appareils électroniques fonctionnent sur batterie, notamment les téléphones et les ordinateurs portables qui ont radicalement bouleversé les communications. De plus en plus performante, la batterie de traction, réservée aux transports, bouscule maintenant le parc automobile ! Sans elle, il n’y aurait pas de véhicules électriques ou hybrides et la mobilité verte serait toujours une utopie. Son fonctionnement est méconnu, son recyclage fait polémique, pas un jour sans qu’on ne parle d’elle, zoom sur la batterie !
Anatomie d’une batterie électrique
Schématiquement, une batterie est un réservoir d’énergie, un accumulateur composé d’un amas de petites cellules qui contiennent chacune une anode (électrode négative), une cathode (électrode positive), un séparateur et un électrolyte.
Cet empilement de strates transforme l’énergie chimique en énergie électrique pendant la décharge et l’énergie électrique en énergie chimique lors des charges.
Dans un accumulateur, le courant électrique entre et sort par les anodes et les cathodes qui changent de rôle selon si l’appareil charge ou décharge.
Les électrons circulent dans un liquide conducteur appelé électrolyte où se forme la réaction électrochimique, initialement issue d’un couple plomb/acide.
En termes de technologie, la batterie a bien évolué depuis son invention dans les années 1860, mais le principe de base reste le même.
La puissance des batteries varie selon le nombre, la taille et l’assemblage des cellules. Les batteries des voitures électriques (batterie de traction) sont différentes de celles qui équipent les véhicules thermiques. Sur ces dernières, la batterie donne la puissance nécessaire au démarrage, mais n’est pas assez performante pour alimenter un moteur électrique.
L’industrie automobile a donc testé d’autres couples électrochimiques afin d’obtenir des accumulateurs qui combinent puissance et légèreté dans un faible volume et au meilleur coût :
- Nickel/Cadmium (Ni-cd)
- Nickel/Métal Hydrure (Ni-MH)
- Nickel/Zinc (NiZn)
- Sodium/Chlorure de Nickel (Zebra)
- Sodium-ion
- Lithium/Polymère (LiPo)
- Lithium/Fer/Phosphate (LiFePO4)
- Lithium/Métal Polymère (LMP)
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Lithium/Nickel, Cobalt, et Aluminium (NCA)
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Lithium/Nickel, Manganèse et Cobalt (NMC)
La puissance d’une batterie de traction
En électricité, les unités de mesure sont le watt, le volt et l’ampère.
Le watt correspond à la puissance électrique. Il s’obtient en multipliant les volts par les ampères.
Le volt donne la tension électrique tandis que l’ampère donne l’intensité.
La capacité de stockage d’une batterie de traction, véritable réservoir d’énergie de la voiture, est exprimée en kWh.
Elle varie selon le modèle de voitures de 20 à plus de 100 kWh.
La batterie lithium-ion
Présent dans 95 % des batteries actuelles, le lithium répond aux besoins des différentes technologies de véhicules électrifiés : hybrides, hybrides rechargeables, à piles à combustible et 100 % électriques.
La batterie lithium-ion contient divers éléments, métaux et minerais parmi lesquels on peut citer le cuivre, le manganèse, l’aluminium, le graphite, le nickel, parfois du cobalt et bien sûr, le lithium.
Elle présente toutes les qualités requises en termes de :
- densité d’énergie, qui est l’énergie qu’elle contient exprimée en volume ou en unité de poids,
- rapidité de charge, exprimée en unité de temps,
- durée de vie, laps de temps au cours duquel les performances s’amenuisent.
Durée de vie d’une batterie électrique
Celle-ci est exprimée en cycles de recharges, c’est-à-dire en nombre de charges et décharges complètes. La durée de vie d’une batterie lithium-ion est de 1 000 à 1 500 cycles de recharge, soit de 8 à 15 ans, selon l’utilisation du véhicule.
Quelques bonnes pratiques permettent de la préserver au maximum.
Il est préconisé notamment de rester à un niveau de charge compris entre 20 et 80 %, de privilégier des temps de charge courts ainsi que des charges lentes pour limiter toute surchauffe.
Les charges rapides en voirie ou station électrique doivent rester occasionnelles.
Par ailleurs, mieux vaut éviter les décharges profondes et les longues périodes sans rouler.
Une batterie perd environ 2 % de performance (autonomie, puissance et rapidité de charge) chaque année. Cette capacité est mesurable chez un garagiste grâce au State of Health, ou SoH au score exprimé en pourcentage.
Pratique lors de l’achat d’un véhicule électrique d’occasion !
Quel est le prix d’une batterie ?
Elle représente environ 40 % du prix de la voiture, soit de 8 000 à plus de 20 000 € selon le modèle.
Pour faire baisser la facture, certains constructeurs la proposent en location pour un coût mensuel compris entre 70 et 150 euros.
Chacune de ces solutions présente des avantages et des inconvénients, à étudier au cas par cas.
Au top en toute saison
Malgré les progrès technologiques, elle n’apprécie guère les températures extrêmes liées à la canicule ou aux frimas de l’hiver !
L’idéal est de garer la voiture sous un abri ou mieux, dans un garage.
En hiver, il est préconisé de démarrer la voiture pour la faire chauffer alors qu’elle est encore branchée au réseau électrique afin que cela n’impacte pas trop la charge.
Cependant, pas d’inquiétude à avoir, car les nouveaux modèles de voitures sont équipés de pompes à chaleur, bien moins gourmandes que les résistances électriques.
Au cœur de la voiture électrique
Le système d'électrification d’une hybride est différent de celui d’une tout électrique.
Dans certains cas, la batterie offre une assistance au véhicule, dans d’autres, elle en est la pièce maîtresse.
Nous allons nous intéresser particulièrement à cette dernière, car elle sera l’unique schéma après 2035, date à laquelle les véhicules thermiques ne seront plus produits.
Fonctionnement d’une batterie de traction
La voiture propre dispose d’un ou plusieurs moteurs électriques. Ces derniers fonctionnent généralement avec du courant alternatif et sont alimentés par la batterie qui stocke du courant continu.
Le cheminement de l’électricité entre les différentes pièces est assuré par une électronique de puissance qui assure la transformation du courant lors de la charge ou de la décharge du véhicule et lors du freinage.
La charge de la batterie se fait via un raccordement sur un des différents types de bornes de recharge.
Cette énergie passe au travers d’un chargeur embarqué, ou convertisseur. Celui-ci transforme le courant alternatif en courant continu stocké dans la batterie de traction.
Le moteur est piloté par un boîtier de gestion électronique appelé hacheur (moteurs alimentés par du courant continu) ou onduleur (moteurs alimentés par du courant alternatif).
L’électronique de puissance régule la recharge, le pilotage du compresseur de climatisation et le chauffage.
Le(s) moteur(s) entraîne(nt) ensuite les roues.
La batterie emmagasine aussi l’énergie dégagée par la décélération induite lors des phases de freinage.
Le freinage régénératif
Le moteur des voitures hybrides et électriques est consommateur, mais aussi producteur d’énergie grâce au système de freinage.
Celui qui équipe les véhicules thermiques a été revu et corrigé pour que l’énergie dégagée lors du freinage et de la décélération du véhicule, appelée énergie cinétique, ne soit plus perdue.
Elle est récupérée puis transformée par les différents composants électroniques avant d’être stockée à son tour dans la batterie de traction.
L’énergie ainsi récupérée permet une diminution de la consommation de l’ordre de 7 à 12 %, notamment en cycles urbains.
À noter que cette adaptation offre toujours le confort et l’efficacité des assistances au freinage et freinage d’urgence.
Le recyclage
À cause du temps ou des aléas de la route, hormis le fait que l’opération peut vite être coûteuse, une batterie se change ! Selon l’âge du véhicule, il peut être alors judicieux d’opter pour la location.
Mais quid de la batterie usagée ? Selon une directive européenne, le producteur de la batterie est en théorie responsable de son recyclage. Cette obligation vise à éviter l’abandon en pleine nature de composants chimiques très polluants.
Cette mission est le plus souvent confiée à des organismes spécialisés et agréés.
Elle est alors démontée, car la quasi-totalité de ses composants gardent une valeur commerciale.
Le pourcentage de recyclage imposé par la loi est de 50 %, mais dans les faits, il est bien plus élevé, aux alentours de 75 %.
Les métaux et les matériaux sont récupérés lors de diverses opérations.
Tout ce qui ne peut être réemployé est traité selon un processus de recyclage bien défini.
Cependant, si elle n’a plus assez de puissance pour une voiture, elle peut encore avoir assez de capacité pour servir de stockage stationnaire, seule ou montée en série.
Les détracteurs de l’électrification du parc n’ont qu’à bien se tenir, les batteries ont droit à une deuxième vie et ne sont pas aussi dangereuses qu'on le dit !
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Sources :
