Imaginez une batterie. Il est probable que vous envisagez une pile AA ou AAA au format standard, celle que vous achetez pour alimenter divers petits appareils électriques, comme la télécommande de votre téléviseur ou un détecteur de fumée.
Maintenant, imaginez la batterie d’un véhicule électrique. L’image que vous avez évoquée ressemble probablement plus à un grand rectangle qu’à un petit cylindre.
Bien que votre esprit puisse percevoir ces deux types de batteries comme des dispositifs de stockage d’électricité très différents, la batterie typique achetée en magasin pour vos divers appareils électroniques et la batterie d’un VE fonctionnent sur les mêmes principes généraux. Cela dit, la batterie d’un véhicule hybride ou électrique est juste un peu plus compliquée que ces cellules ressemblant à du rouge à lèvres que vous avez l’habitude de manipuler.
La batterie d’un HEV, PHEV ou BEV (c’est-à-dire un véhicule électrique hybride, un véhicule électrique hybride rechargeable et un véhicule électrique à batterie, respectivement) peut être fabriquée à partir d’une variété de matériaux, dont chacun présente des caractéristiques de performance différentes. . Les cellules individuelles stockées dans ces gros packs de batteries se présentent également sous différentes formes et tailles.
Comment fonctionne une batterie de VE ?
Les cellules du bloc-batterie d’un véhicule électrique ont chacune une anode (l’électrode négative) et une cathode (l’électrode positive), toutes deux séparées par un matériau de type plastique. Lorsque les bornes positive et négative sont connectées (pensez à allumer une lampe de poche), les ions se déplacent entre les deux électrodes à travers un électrolyte liquide à l’intérieur de la cellule. Les électrons émis par ces électrodes, quant à eux, traversent le fil à l’extérieur de la cellule.
Si la batterie fournit de l’énergie (par exemple, l’ampoule de la lampe de poche susmentionnée) – une action connue sous le nom de décharge – alors les ions traversent le séparateur de l’anode à la cathode, tandis que les électrons se déplacent sur le fil du négatif (anode) à la borne positive (cathode) pour alimenter une charge externe. Au fil du temps, l’énergie de la cellule s’épuise car elle entraîne tout ce qu’elle alimente.
Lorsque la cellule est chargée, cependant, les électrons circulent d’une source d’énergie extérieure dans l’autre sens (du positif au négatif) et le processus s’inverse : les électrons circulent de la cathode vers l’anode, augmentant à nouveau l’énergie de la cellule.
Construction de la batterie du VÉ
Lorsque vous pensez à ces piles AA ou AAA susmentionnées, vous imaginez une seule cellule de batterie. Mais les batteries des véhicules électriques ne sont pas une version énorme de cette cellule unique. Au lieu de cela, ils sont constitués de centaines, voire de milliers de cellules individuelles, généralement regroupées en modules. Jusqu’à plusieurs dizaines de modules peuvent résider dans une batterie, qui est la batterie EV complète.
Les cellules EV peuvent être de petites cellules cylindriques, comme une cellule AA ou AAA, de différentes dimensions standardisées. C’est l’approche adoptée par Tesla, Rivian, Lucid et certains autres constructeurs automobiles, en reliant des milliers de ces petites cellules. L’avantage, selon ces entreprises, est que les petites cellules sont beaucoup moins chères à produire en volume. Pourtant, Tesla prévoit de passer à un nombre inférieur de cellules cylindriques plus grandes pour réduire le nombre de connexions dans les batteries de leurs voitures.
Trois cellules de batterie cylindriques différentes qui sont utilisées par centaines ou par milliers pour constituer la batterie d’un véhicule.
Mais les cellules EV se présentent sous deux autres formats : prismatiques (rigides et rectangulaires) ou en poche (également rectangulaires, mais dans un boîtier en aluminium souple qui permet une certaine expansion dans les parois des cellules sous une chaleur extrême). Il existe peu de dimensions standardisées de cellules prismatiques ou de poche, et la plupart des constructeurs automobiles – General Motors et Ford, par exemple – spécifient leurs propres spécifications en partenariat avec le fabricant de cellules, comme le chinois CATL, le japonais Panasonic ou le coréen LG Chem.
Types de batteries de VE
La chimie de la batterie d’un véhicule électrique – ou les matériaux utilisés dans sa cathode – varie selon les différents types de cellules. Aujourd’hui, il existe essentiellement deux types de chimie de batterie, tous deux sous l’égide du lithium-ion, ce qui signifie que leurs cathodes utilisent du lithium avec d’autres métaux.
Il s’agit d’une batterie de la famille Ultium de GM, qui utilise des cellules avec un mélange nickel-manganèse-cobalt-aluminium (NMCA).
Les deux types de batteries lithium-ion
Le premier, le plus courant en Amérique du Nord et en Europe, utilise un mélange de nickel, de manganèse et de cobalt (NMC) ou de nickel, de manganèse, de cobalt et d’aluminium (NMCA).
Ces batteries ont des densités d’énergie plus élevées (énergie par poids ou énergie par volume) mais aussi une plus grande propension à s’oxyder (prendre feu) lors d’un court-circuit drastique ou d’un choc violent. Les fabricants de cellules et les ingénieurs de batteries passent beaucoup de temps à surveiller les cellules et les modules, à la fois pendant la fabrication et pendant l’utilisation pendant la durée de vie de la voiture, afin de limiter les risques d’oxydation.
Le deuxième type, beaucoup plus largement utilisé en Chine, est connu sous le nom de lithium-fer-phosphate, ou LFP. (Ceci malgré le fait que Fe est le symbole du fer sur le tableau périodique, alors que F est en fait du fluor.) Les cellules fer-phosphate ont une densité d’énergie considérablement plus faible, donc des batteries plus grandes sont nécessaires pour fournir la même quantité d’énergie (et donc conduire gamme) en tant que batteries à base de NMC.
Toutefois, cela compense le fait que les cellules LFP sont moins susceptibles de s’oxyder si elles sont court-circuitées. Les cellules LFP n’utilisent pas non plus de métaux rares et coûteux. Le fer et le phosphate sont utilisés dans une variété d’applications industrielles aujourd’hui, et ni l’un ni l’autre n’est considéré comme rare ou limité en ressources. Pour ces raisons, les cellules LFP sont moins chères par kilowattheure.
Le coût inférieur a conduit Tesla (et plus récemment Ford) pour utiliser des cellules LFP dans ses modèles de véhicules électriques de base, économisant ainsi les produits chimiques plus coûteux et à plus haute énergie pour les modèles plus chers de la gamme.
Quant à l’autre électrode de cellule, l’anode, aujourd’hui la plupart d’entre elles sont en graphite.
Logiciel de batterie EV
Contrairement à votre cellule AA ou AAA de base, une batterie EV nécessite de nombreux logiciels pour garder un œil sur les choses. Vous pouvez vous attendre à ce qu’une pile AA ou AAA dure au plus quelques années. Les constructeurs automobiles, cependant, garantissent les composants de la batterie de leurs véhicules électriques, souvent pendant environ une décennie ou jusqu’à 150 000 miles d’utilisation.
Toutes les batteries EV perdent une certaine capacité de charge au fil du temps. Avec des données limitées disponibles, il est difficile de creuser dans les détails de ces pertes. En général, la perte d’autonomie après 100 000 milles peut être de l’ordre de 10 à 20 %. En d’autres termes, un véhicule électrique capable à l’origine de fournir une autonomie de 300 miles aurait encore une autonomie comprise entre 240 et 270 miles à ce stade de son cycle de vie.
Pour garantir que cela se produise, les modules de batterie et le pack lui-même disposent d’une multitude de capteurs pour surveiller la puissance fournie par chaque composant – idéalement, identique sur toutes les cellules et tous les modules – et la chaleur du pack. Une suite de logiciels connue sous le nom de système de gestion de la batterie (BMS) garde un œil sur ces informations.
Comme les humains, les batteries sont sensibles aux changements de température et fonctionnent mieux à environ 70 degrés Fahrenheit. Si la batterie d’un VE montre des signes de surchauffe, le BMS de la plupart des batteries HEV, PHEV et BEV modernes fera circuler le liquide de refroidissement à travers la batterie afin d’évacuer la chaleur et de rapprocher la température de 70 degrés. Les batteries fournissent moins d’énergie par froid extrême. Si un propriétaire de véhicule électrique préconditionne son véhicule, son logiciel de contrôle et son BMS peuvent utiliser l’énergie du réseau (s’il est branché) ou peut-être de l’énergie de la batterie pour réchauffer la batterie. Le préconditionnement permet à une batterie de véhicule électrique de fournir un niveau de puissance spécifique dès que le conducteur démarre.
Nouvelle technologie de batterie pour les voitures électriques
La technologie des batteries est en constante évolution. Bien que les véhicules électriques d’aujourd’hui utilisent massivement des packs lithium-ion, de nombreuses voitures à batterie de demain utiliseront probablement des packs avec des chimies différentes. Par exemple, les batteries à semi-conducteurs qui utilisent des cellules à électrolyte solide sont une alternative prometteuse dans laquelle de nombreux fabricants investissent. En fait, Toyota prévoit d’introduire un véhicule avec une batterie à semi-conducteurs d’ici le milieu de la décennie.
Les batteries à semi-conducteurs devraient offrir une plus grande densité d’énergie qui devrait offrir une meilleure autonomie par rapport à une batterie lithium-ion similaire. Cette technologie révolutionnaire a encore du chemin à parcourir, car les ingénieurs s’efforcent de réduire les coûts des matériaux de production des cellules à semi-conducteurs. De même, la durée de vie de ces cellules devra s’améliorer considérablement afin de s’adapter aux milliers de cycles de décharge complète d’un HEV, PHEV ou BEV.
Quoi qu’il en soit, l’avenir des véhicules à batterie est prometteur. Attendez-vous à de nouvelles technologies pour améliorer l’efficacité et l’autonomie des voitures électriques, et à ce que les coûts des batteries lithium-ion baissent considérablement dans les années à venir.
Éditeur collaborateur
John Voelcker édité Rapports sur les voitures vertes pendant neuf ans, publiant plus de 12 000 articles sur les hybrides, les voitures électriques et autres véhicules à émissions faibles ou nulles et l’écosystème énergétique qui les entoure. Il couvre maintenant les technologies automobiles avancées et la politique énergétique en tant que journaliste et analyste. Son travail a été publié dans des médias imprimés, en ligne et à la radio, notamment Câblé, Popular Science, Tech Review, IEEE Spectrumet « All Things Considered » de NPR. Il partage son temps entre les montagnes Catskill et New York, et a toujours l’espoir de devenir un jour un homme mystérieux international.