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9 août 2023 3 09 /08 /août /2023 11:16

 

La charge rapide, le challenge de la voiture électrique.

9 Août 2023

Dans le développement de la voiture électrique, la batterie demeure l'élément le plus problématique.

( Loin devant le moteur, qui ne pose pas de problème technologique majeur sinon les classiques problèmes d'ajustements coût/performances et optimisation du rendement ).

La technologie de batteries au Lithium a certes amené une augmentation significative de la capacité spécifique ( Nombre de kWh par kg de poids ) qui a permis de donner aux modèles actuels une autonomie décente, bien qu'encore très inférieure à celle des véhicules à moteur thermique.

( Et surtout très dépendante des conditions d'utilisation : Type de conduite, conditions météo, profil de la route, chargement, utilisation de la climatisation, récupération, ou pas, d'énergie au freinage, état d'usure de la batterie, etc ).

Il suffit de voir le succès des modèles hybrides rechargeables pour se convaincre de la réalité de ce problème.

Cette autonomie perfectible a cependant permis de lancer le marché du véhicule électrique, mais son expansion naturelle vers l'ensemble du parc demeure conditionnée par la solution de trois problèmes :

D'une part, augmenter significativement la capacité utile des batteries pour retrouver une autonomie réelle classique autour de 600 km. Une valeur de 100 kWh devrait devenir la norme pour une voiture de milieu de gamme.

( ceci doit être obtenu par augmentation de la capacité spécifique afin de ne pas pénaliser le poids déjà très significatif ).

D'autre part, généraliser l'accès aux bornes de charge rapide pour récupérer en 10 à 15 minutes 80% de la charge utile ( Bornes de 300 kW effectifs ).

Enfin, normaliser le système d'accès aux bornes, et de paiement, tels qu'ils sont prévus par le protocole ISO 15 118 ( Plug & charge ).

Accessoirement, clarifier le système de tarification.

Aujourd'hui les batteries de 100 kWh sont encore trop coûteuses et trop lourdes pour équiper les voitures de milieu de gamme, et les bornes de charge rapide de 300 kW sont encore une rareté ; quand aux procédures d'accès et de paiement, la décence nous déconseille d'en parler...

Faire le plein avec une voiture thermique est une formalité qui n'appelle aucune remarque, et le maillage des stations-service est tel que l'affaire ne prend que cinq minutes, un non problème, sinon l'odeur du carburant pour les nez délicats.

Il en va autrement avec les voitures électriques.

Le courant soutiré par le moteur dépend de la puissance demandée.

( Oui, c'est évident, mais encore fallait-il le rappeler...)

Pour rouler à environ 100 km/h, une voiture électrique consomme typiquement 15 kWh/100 km en moyenne, et la batterie fournit donc une puissance de 15 kW, et un courant de 40 A, ce qui lui permet de parcourir environ 300 km avec une batterie de 50 kWh, qui est plus ou moins la norme aujourd'hui sur les voitures de milieu de gamme.

Dans ces conditions le courant soutiré à la batterie est de 40 A, pour une tension de 360 V de batterie. C'est un courant modéré, qui correspond à un mode de décharge C/3.

( Le mode C1 correspond à un courant qui vide la batterie en 1 Heure .Le mode C/3 la vide en trois heures)

En pratique, la voiture est équipée d'un moteur dont la puissance est beaucoup plus élevée que 15 kW, plutôt 60 à 70 kW pour donner des accélérations convenables et rouler à 130, et pour le standing...C'est pourquoi l'autonomie réelle dépend de la façon de conduire car, avec 70 kW utilisés sans ménagement, l'autonomie est fortement diminuée.

( Sans parler des modèles affichant plusieurs centaines de KW, qui n'ont que de très lointains rapports avec la voiture moyenne dont nous parlons ).

Le vrai problème de courant se pose pour la phase de recharge de la batterie.

Si un courant de 40 A sous 360 V permet de rouler tranquille 300 km autour de 100 km/h ( avec une batterie de 50 kWh ), ce même courant de 40 A rechargera la même batterie en trois heures !

C'est le cas avec les bornes de 20 kW qui existent à droite et à gauche, et qui conviennent parfaitement pour charger, si le véhicule peut être immobilisé quelques heures, et si la borne est disponible pendant cette durée.

Une borne domestique de quelques kW suffirait même, si le véhicule peut rester immobilisé sept ou huit heures.

Mais de nombreuses activités entraînent un usage intensif de la voiture, qui ne peut s'accommoder d'arrêts plus ou moins aléatoires, pour des durées également aléatoires, et à des moments inopportuns. Un système de charge rapide est nécessaire pour ces types d'usage.

Mais quelle rapidité ?

La référence est évidemment la voiture thermique, qui fait le plein en Cinq minutes pour 700 km.

En utilisation normale «  économe » sur route une voiture électrique consomme environ 15 kWh aux 100 km, pour une vitesse de 100 km/h ( Chiffres moyens ). La batterie de 50 kWh est donc utilisée en mode décharge C/3, soit 40 A en 360 V, pour une autonomie de trois heures.

Mais, pour refaire le plein en cinq minutes, il faudrait un mode charge 12 C, qui nécessiterait un courant de 1 500 A, toujours en 360 V.

Aucune batterie de cette génération ( 360 à 400 V) ne peut supporter ce régime, et aucune borne de charge rapide n'est envisagée pour un tel courant !

( Pour les besoins de très forte puissance de recharge, on passe dans le domaine du standard 800 V, qui permet d'avoir deux fois plus de puissance pour le même courant. Des essais sont en cours pour élargir la norme à ce domaine, surtout pour les véhicules de transport lourd dont les capacités de batterie sont très élevées et donc les courants max également .

Quelques voitures de haut de gamme ont déjà adopté ce standard, il n'est pas impossible qu'il soit étendu au moyen de gamme dans l'avenir …).

Pour nos modestes voitures, et les (encore) modestes batteries associées ( 50 kWh ), les modes de charge max sont limités en général à C2 ( limite imposée par le fabricant de la batterie et indiquée au catalogue ), ce qui permet de récupérer une charge de 30 kWh (20 à 80%) en 20 minutes environ sur une borne de 100 kW.

Inutile de se brancher sur une borne de 350 kW, elle n'en fournira que 100, conformément à la limite imposée par le BMS de votre voiture.

La recharge d'une batterie de 50 kWh/ 400 V en cinq minutes est donc à oublier, du moins sur les modèles de milieu de gamme, et pour encore quelques années.

( Dans ce domaine les pronostics sont hasardeux car les fabricants de batteries ont plus d'un tour dans leur sac, tant les chinois que les japonais ou les américains...

Rien n'empêche un constructeur d'autoriser le mode C3, voire C4, selon sa conception de la fiabilité...)

Sur les voitures de haut de gamme, on commence à voir des batteries de 100 kWh, qui peuvent donc supporter d'être chargées sur des bornes de 200 kW en mode C2, et davantage si le mode C3, voire C4 est accepté par le constructeur de la voiture ( Voir Tesla...).

Le courant max de charge que peut supporter une batterie pendant un temps donné dépend de sa technologie, des matériaux utilisés avec le Lithium pour les électrodes, le comportement de la résistance interne, l'élévation de température admissible, l'efficacité d'un éventuel système de refroidissement de batterie, ou de réchauffage, la qualité du contrôle de l'équilibrage des cellules,

l'efficacité du BMS ( Battery Management System ), l'état général de la batterie en fonction du « cycling » ( SOH, State Of Health ), de son état de charge ( SOC ), et de la marge de sécurité acceptée par le constructeur.

Ces paramètres font la différence entre une bonne batterie, une batterie standard, et une batterie de grande qualité.

Par exemple, la Peugeot e-208 est équipée d'une batterie de 50 kWh dont le régime de charge est limité à 2C, soit 100 kW. Même branchée à une borne de 300 kW, elle ne recevra au maximum que 100 kW. ( Valeur max indiquée au catalogue Peugeot ). La recharge de 20% à 80% sera effectuée en vingt à trente minutes environ .

Tenter de charger à C3 ou C4 une batterie spécifiée pour C2 max peut très mal se terminer pour la batterie, la voiture, et l'entourage si les pompiers tardent à intervenir...

La recharge d'une batterie de voiture électrique est précédée d'un dialogue entre le BMS de la voiture, et la borne de charge sur laquelle le véhicule est branché. La communication est bidirectionnelle :

Le BMS de la voiture envoie une requête accompagnée d'informations sur le type de la batterie branchée, la tension min, la tension max, la capacité utilisable, la température actuelle de la batterie, son état de charge (SOC), son acceptation ou pas de la charge rapide, la valeur du courant max accepté, l'état de santé de la batterie ( SOH), la température max acceptée, la quantité d'énergie demandée, etc.

La borne examine et enregistre ces données, et répond sur la possibilité, ou pas, de répondre à cette requête, propose un plan de charge, et indique le montant de la transaction.

( C'est du moins ce que doit faire une borne bien élevée)

Le client accepte, ou propose un autre programme, et valide la transaction à travers un moyen de paiement ( Carte à insérer, ou transaction à travers un smartphone, ou un terminal local ).

Ce n'est qu'à l'issue de ce « colloque singulier » que l'énergie est, ou pas, envoyée dans la batterie du quidam.

( Il peut arriver que la borne refuse d'envoyer la puissance, pour des raisons techniques ; par exemple batterie trop déchargée, température trop élevée ou trop faible, ou SOH ( State Off Health ) douteux. Ou qu'elle refuse la charge complète, ou pour toute autre raison ).

L'objectif en matière de charge sur les bornes puissantes est l'automatisme tel qu'il est défini dans la norme ISO 15 118, qui sera ( est déjà?) implémentée dans les versions récentes de COMBO CCS, y compris l'identification du véhicule, de son propriétaire, et facturation automatique de l'énergie reçue.Voir :

https://www.afirev.fr/wp-content/uploads/2020/01/AFIREV-Livre-blanc-d%C3%A9ploiement-15118_Vf-3.pdf

Il est évident que l'évolution du Hardware et du software associés devront assurer un niveau minimum de rétrocompatibilité afin de ne pas pénaliser les véhicules existants.

( Un véhicule acheté en 2015 doit pouvoir utiliser les bornes de charge rapides installées en 2025 )

Mais là ne s'arrête pas la marche du progrès puisque la transition énergétique implique le recours massif aux énergies renouvelables intermittentes, à l'intégration d'une multitude d'installation domestiques raccordées au réseau électrique, lui-même devant accueillir une multitude de stations de recharge pour les véhicules électriques.

Pour gérer ces nouvelles structures et continuer à garantir la stabilité du réseau, il est devenu indispensable de mettre en place des nouvelles méthodes de gestion ( Réseau intelligent ) impliquant le consommateur qui devient un élément de la gestion globale.

C'est là qu'intervient la notion de « batterie domestique », déjà largement mise en œuvre dans certains pays, et qui consiste à équiper les installations d'autoproduction d'une batterie de grande capacité susceptible de participer à la régulation du réseau, et plus seulement aux seuls besoins du foyer.

La batterie d'un éventuel véhicule électrique doit pouvoir être intégrée à ce réseau, dans des conditions contractuelles négociées évidemment.

Cette option est prévue dans la norme ISO 15118, la voiture devant être compatible avec ce nouveau service.

Cette nouvelle application de la batterie de voiture électrique devrait amener à reconsidérer l'utilité d'une batterie de 100 kWh, dont le raccordement occasionnel au réseau pourrait s'accompagner de certains avantages tarifaires...

( Charger gratuitement sa voiture dans la journée sur le parking d'entreprise, pour en revendre une partie à EDF, pourquoi pas ? )

Ce bouillonnement dans le secteur des batteries et des infrastructures de rechargement nous réserve des surprises dans les prochaines années, avec peut-être quelques grincements de dents...

 

 

 

 

 

 

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