Quels risques pour les batteries au Lithium des VE ?

14 Novembre 2016
Selon le scénario classique, chaque avancée technologique présente des inconvénients spécifiques avec lesquels nous devons composer.
Il peut se faire que, lorsque ces inconvénients constituent un risque pour le consommateur usager, une technologie soit abandonnée ou profondément adaptée.
Actuellement, nous vivons un de ces épisodes avec les moteurs thermiques qui équipent nos automobiles.
Les critères de tolérance en matière de santé publique ayant fortement évolué, la pollution émise par ces moteurs est devenue inacceptable selon les nouvelles règles définies par les normes européennes Euro 6, et à fortiori par les suivantes.
(En l’occurrence il s’agit des émissions de dioxyde de Carbone, d’oxydes d’Azote, d’Hydrocarbures imbrûlés, de suies, de particules fines et de nanoparticules).
Malgré les perfectionnements apportés à la conception, à la gestion des moteurs et aux dispositifs de dépollution, les constructeurs ne peuvent plus produire des moteurs thermiques conformes aux exigences des dernières normes.
Ils en sont réduits à tricher avec les tests d’homologation et, ce qui est plus grave, avec les règles de protection de la santé publique.
Les derniers épisodes judiciaires sont la révélation d’un état d’esprit délétère qui ne peut que nuire à tout le monde.
Le moment est donc venu de changer de technologie.
En ce domaine il n’existe qu’une alternative, c’est le moteur électrique.
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La saga de la voiture automobile électrique a débuté dès la fin du XIXè siècle. Le premier modèle doté d’accumulateurs rechargeables aurait circulé en 1884.
L’électricité était fournie par des batteries d’accumulateurs au Plomb récemment mis au point par Planté, et l’autonomie ne dépassait pas quelques dizaines de Km malgré des vitesses fort modestes.
Quant aux bornes de rechargement, inutile d’en parler…
Ces voitures connurent cependant un grand succès, puis furent détrônées par le pétrole.

L’explication était, déjà,
« Il est plus facile d’emporter un bidon de pétrole qu’un bidon d’électricité »
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Le véhicule électrique à batterie a cependant continué d’exister à côté du véhicule à moteur thermique, pour des applications spécifiques pouvant s’accommoder d’une autonomie réduite.
Mais son déploiement sur une grande échelle est resté impossible, faute d’une autonomie suffisante.
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Aujourd’hui les progrès de la technologie permettent d’envisager une nouvelle percée sur le marché grâce à deux avancées prometteuses:
D’une part la batterie au Lithium, et d’autre par la pile à combustible.
C’est aujourd’hui la batterie au Lithium qui a été choisie pour stocker l’énergie électrique embarquée, eu égard à l’état d’avancement de cette technologie.
Mais la pile à combustible constitue une solution de repli très crédible,  expérimentée par ailleurs dans le cadre de la filière Hydrogène et de l’utilisation de biocarburants. Quelques modèles sont proposés en petites séries.
A quelques rares exceptions près, les véhicules électriques proposés aujourd’hui sur le marché sont équipés de batteries Lithium-ion, et le réseau d’infrastructures de recharge en cours de déploiement est adapté à ce type de batteries.
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Cette nouvelle technologie n’échappe pas à la règle; elle est accompagnée de certains inconvénients spécifiques qui doivent être pris en compte dans le cadre des études de sécurité.
Il serait irresponsable de nier l’existence de certains risques de santé publique liés à l’utilisation de tensions élevées ( 400 V, et 800 V dans le futur) et de substances telles de LiPF6 dont l’instabilité thermique est connue.
Tout cela est expliqué dans le rapport d’étude de l’INERIS*
DRA-10-111085-11390 D du 06/06/2011
Disponible ici:
ineris.fr/centredoc/ve-analyse-apr-couv-ineris-1386077293.pdf
*Institut National de l’Environnement industriel et des RISques.]
Objectifs du rapport:

« Effectuer une cartographie des enjeux relatifs aux risques accidentels que pourraient présenter les véhicules électriques sur l’ensemble de leur cycle de vie (production, utilisation, recharge, fin de vie). »
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Nous nous intéressons ici aux risques liés à l’utilisation du véhicule par l’usager.
Les principaux risques sont résumés dans le tableau ci-dessous, directement issu du rapport INERIS.

Pas d’affolement.
Ces risques étant connus, ils sont pris en compte tout au long de la fabrication des batteries et de leur utilisation sur toute la durée de vie, et même lors du recyclage.
Sur un véhicule, la gestion de la batterie est confiée à un véritable cerveau, le BMS (Battery Management System), qui prend en charge la gestion et la surveillance permanente. Il intervient pour équilibrer la charge et la décharge des différentes cellules, surveiller les températures, déclencher le circuit de refroidissement éventuellement, contrôler la totalité des processus de charge et de décharge, l’ajuster en fonction des caractéristiques des bornes de charge et de l’état de la batterie, de la température ambiante, déclencher si nécessaire les dispositifs de sécurité.
C’est sur le BMS que repose non seulement le bon fonctionnement du système, mais aussi la sécurité du véhicule et éventuellement celle des passagers.
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Nous avons donc affaire à un système dont la gestion et le contrôle ne souffrent pas la médiocrité, compte tenu des conséquences plus que fâcheuses d’un accident de batterie.
La fiabilité des composants, et particulièrement du BMS, doit donc être exceptionnelle, compte tenu de l’utilisation sur une longue durée et par des usagers dépourvus par principe de toute expertise technique.
Tout repose donc sur l’automatisation des processus. Les personnels habilités à intervenir sur des véhicules électriques doivent avoir reçu une formation spécifique, qu’il s’agisse d’un contrôle technique, d’une révision chez le concessionnaire, ou d’une intervention à la suite d’un accident de la circulation ou d’une panne.
Le VE à batterie au Lithium ne tolère pas le bricolage. La sécurité en dépend.

Et c’est en connaissant les risques que l’on peut s’en protéger, non en les niant.
Les quelques exemples de feux d’artifices offerts par des « accidents de batterie » montrent, s’il en était besoin, que l’on ne plaisante pas avec ce genre de dispositif, et pas seulement dans l’automobile, de beaux exemples nous sont offerts avec les PC portables, tablettes et Smartphones, et même les avions, qui sont pourtant réputés pour leur fiabilité.
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Les batteries Lithium-ion actuelles (On ne peut pas préjuger des progrès futurs ) utilisent un électrolyte à base de Li P F6.
Au-delà d’une température d’environ 170 °C l’électrolyte réagit avec les électrodes pour provoquer une réaction exothermique avec dégagement gazeux inflammable et toxique, un emballement thermique.
Il est donc essentiel de contrôler la température d’un élément au Lithium afin d’intervenir avant que sa valeur critique ne soit atteinte.
La connaissance de la température est également nécessaire pour gérer les différents régimes de fonctionnement (Température ambiante très basse, ou très élevée, courant de charge, courant de décharge, charge lente, charge rapide, etc..).
Une batterie comprend un nombre important de cellules élémentaires, et chacune d’entre elle doit être contrôlée individuellement car leurs caractéristiques ne sont pas identiques, elles ne vieillissent pas de la même manière, et la température n’est pas uniforme au sein de la batterie, il faut pouvoir gérer intelligemment le refroidissement.

Car il y a un circuit de refroidissement, nécessaire pour évacuer la chaleur dégagée par tout système énergétique dont le rendement n’est pas de 100%.
Aujourd’hui les VE utilisent une tension de l’ordre de 400 V. Une cellule élémentaire au Lithium-ion fournit une tension de 3,7 V; il en faut donc au minimum 100 disposées en série pour obtenir 370 V.
Mais si l’une des cellules est HS, c’est l’ensemble du pack qui est hors service. Pour éviter cela chaque étage de 3,7V est constitué de plusieurs cellules en parallèle, en sorte qu’une cellule HS peut être déconnectée sans compromettre le fonctionnement de l’ensemble, sauf au niveau du courant max.
Une batterie de 370 V peut donc être constituée de plusieurs centaines de cellules élémentaires, voire plusieurs milliers comme chez Tesla.
Chacune des cellules élémentaires peut être un risque d’emballement thermique si elle n’est pas surveillée attentivement par le BMS.
L’emballement peut survenir pour diverses raisons, comme exposé dans le tableau de l’INERIS.
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Donc oui, la batterie auto Lithium-ion comporte des risques, mais ceux-ci

peuvent être considérablement réduits grâce au respect des règles de sécurité à toutes les étapes de la vie du produit.
La conception, la préparation des matériaux, l’assemblage, les tests de fiabilité, le montage sur véhicule, le système de gestion (BMS), la protection contre les chocs, la procédure de recharge, la procédure d’intervention en cas de panne ou d’accident, la formation des personnels à tous les postes d’intervention, le programme de révisions périodiques, toutes ces étapes doivent être intégrées dans une chaîne de sécurité sans maillon faible, dans laquelle le petit mécanicien bricoleur n’a plus sa place, sinon pour changer une roue.
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Malgré ce panorama, qui peut être inquiétant à la lecture, la situation sur le terrain incite plutôt à l’optimisme.
Les incendies spectaculaires rapportés par les média, impliquant un véhicule électrique, et comportant des conséquences liées à la présence d’une batterie au Lithium, sont plutôt rares.
Le nombre de véhicules électriques en circulation dans le monde est maintenant suffisamment élevé pour autoriser une évaluation statistique.  
Les statistiques d’incendies de véhicules aux Etats-Unis rapportent les chiffres suivants:
1 feu de véhicule pour 20 Millions de miles parcourus, tous types.
1 feu de véhicule pour 100 Millions de miles parcourus, pour les seuls véhicules électriques.
Les VE sont donc statistiquement cinq fois moins exposés au risque d’incendie que les véhicules thermiques.
Rapportés à la moyenne annuelle française de 12 000 Km par an, cela donne la probabilité d’incendie de 1/15 000 , ou encore 0,007 %.
Ce qui prouve une maîtrise certaine de la technologie, même si de meilleurs résultats sont toujours souhaitables.
(Nous ne disposons pas de statistiques européennes…)
Il n’y a donc pas lieu de sonner le tocsin, le véhicule électrique est entre bonnes mains, pourvu que çà dure…
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Il faut cependant rester vigilants car le déploiement du marché de gros volumes implique un certains nombres de démarches:
- réduction des coûts, la batterie actuelle demeure beaucoup trop chère.
- Augmentation des capacités, car il faut améliorer significativement l’autonomie.
30 KWh aujourd’hui, 60 KWh dès 2018, et 100 KWh en ligne de mire.
- Amélioration de la capacité énergétique spécifique pour maintenir le poids dans des limites raisonnables tout en augmentant les capacités.
- Couplage de la batterie avec un supercondensateur, pour obtenir à la fois une grande capacité spécifique et une puissance disponible importante.
 Il est important que cette course à l’échalote ne porte pas préjudice à la fiabilité.
La règlementation (ISO 12405 et ISO 6469 et suivantes) devra veiller à maintenir le plus haut niveau d’exigence afin que l’exercice de la concurrence ne conduise pas au moins-disant technique.
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La barre est placée très haut, et compte tenu du problème des bornes de recharge, la partie n’est pas gagnée d’avance.
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