Capacité des batteries des VEB et bornes de recharge, la course à l'échalote.
13 Mai 2024
Comme rappelé dans les articles précédents, les technologies actuelles de batteries de VEB ne permettent pas d'offrir les qualités attendues par le marché de masse tel qu'il est prévu dès 2035.
( Ou plutôt « imposé » par Bruxelles ).
Les points faibles des batteries actuelles sont le coût, la capacité, le poids, les performances, et la sûreté de fonctionnement.
Donc du pain sur la planche pour les bureaux d'études, qui ont bien réalisé que les premiers qui trouveront le saint Graal seront maîtres du marché.
Le problème est simple ( à énoncer, pas à résoudre...).
On entend parfois le raisonnement lénifiant suivant :
Pour circuler pépère, dans la moyenne des usagers, c'est-à-dire 30 km par jour ( les fameux 12 000 km par an des statistiques ) une batterie de 20 kWh utiles est amplement suffisante.
Hélas cet usager moyen n'existe pas, il n'est qu'une entité mathématique sans consistance, comme bien souvent dans ce genre de statistique.
( Pour être honnête, il faut préciser qu'il y a bien un marché pour ce type de voiture, mais il est trop faible pour servir de base à une stratégie...)
L'usager de chair et d'os a des besoins de déplacements dont chacun peut évoluer d'un jour à l'autre entre 0 et 800 km, voire davantage.
Idem pour le kilométrage annuel, qui pourra varier, d'un usager à l'autre, entre moins de 5000 km et plus de 100 000 km.
Pour être accepté spontanément comme substitut du véhicule thermique, Le VEB devra donc offrir plus ou moins les mêmes services, entre autres une grande autonomie* et un ravitaillement aisé et rapide, et si possible pour un prix comparable.
* L'autonomie des voitures n'a jamais posé de problème aux usagers jusqu'à présent, il serait fâcheux qu'avec le VEB elle devienne une préoccupation permanente.
Qu'en est-il des points faibles des batteries actuelles ?
Le coût.
Compte tenu des frais déjà imposés aux consommateurs dans le cadre de la transition énergétique et de l'évolution du prix des énergies, y compris l'électricité, le surcoût du VEB par rapport au thermique doit demeurer gérable ( C'est une évidence, mais que certains ont du mal à admettre, qui proposent des voitures, dites de gamme moyenne, à 40 000 euros...).
Les différences importantes entre une voiture électrique et une thermique sont la motorisation, la batterie, le bloc onduleur et gestion de la charge, le renforcement du châssis pour le support et la protection de la batterie. D'autre modifications sont nécessaires pour améliorer la pénétration dans l'air, réduire les frottements, renforcer l'isolation thermique, et ajouter une pompe à chaleur.
Tout cela pour remplacer une motorisation thermique : Moteur, boîte, radiateur, échappement.
La plus grande partie du surcoût du VEB est due à la batterie elle-même, mais aussi à l'ensemble des modifications rendues nécessaires pour accueillir cette batterie très lourde et fragile, et pour atténuer les inconvénients liés à sa « faible » capacité.
Les coûts actuels des VEB ne sont pas représentatifs des coûts futurs de la grande série et doivent être en partie compensés par des subventions conditionnelles.
Le difficile challenge des constructeurs de VEB consiste à se passer des subventions tout en améliorant les performances des batteries, sans très bien savoir de quelles batteries nous aurons réellement besoin en 2035.
( Entre la petite batterie de 20 kWh que l'on recharge tous les jours et le monstre de 150 kWh pour faire Paris-Nice sans recharger, le choix est vaste et encore incertain.
Cette incertitude sur le besoin réel se complique de l'impossibilité de changer d'option de batterie en cas de besoin car la voiture est construite autour de sa batterie.
La capacité de la batterie.
Pour obtenir la même commodité d'emploi que les modèles thermiques, la voiture électrique doit améliorer significativement son autonomie.
Selon ce critère, l'objectif souhaitable pour l'autonomie est de 5 à 600 km REELS sur autoroute à 130 km/h, ce qui correspond à une dépense énergétique d'environ 100 à 120 kWh pour une voiture de gamme moyenne, et donc à une batterie de l'ordre de 150 kWh.
Aujourd'hui la valeur « classique » est de 50 kWh. Difficile de faire mieux à cause du poids et du coût.
Il faudrait donc gagner un facteur trois, sans éclater le coût et sans dépasser les 300 kg !
(Bien sûr, on peut toujours essayer d'imposer aux clients des performances dégradées, mais le pari serait très risqué, car les concurrents d'en face ne restent pas les deux pieds dans le même sabot, et ont bien compris que cette histoire de voiture électrique était une formidable opportunité pour leur permettre de porter l'estocade aux concurrents européens...).
Les performances de la batterie.
Sur une voiture électrique, la puissance est celle de la batterie, à condition bien sûr que le moteur associé soit apte à transmettre cette puissance aux roues avec un bon rendement énergétique, ce qui est le point fort des moteurs électriques, qui échappent aux lois de la thermodynamique.
(A condition d'utiliser de l'électricité verte, mais sommes-nous assurés d'avoir 100% d'électricité verte en 2035 ?)
La puissance délivrée par la batterie est égale au produit de la tension par le courant.
Actuellement la tension est normalisée autour de 400 V sur les modèles de gamme moyenne, souvent même 370 V..
Mais quel est le courant maximum que peut fournir une batterie ?
Le courant maximum est celui à partir duquel la batterie commence à se détériorer. Il dépend au premier chef de la qualité de fabrication, et du temps de passage du courant.
La détérioration se traduit au mieux par une chute du SOH ( State Of Health ) et une augmentation de la résistance interne, une baisse du cyclage ( durée de vie de la batterie ), et au pire par une perte de capacité, un emballement thermique et/ou un court-circuit interne, suivi d'un incendie.
Les fabricants de batteries spécifient une valeur de régime de courant max de référence exprimée en général par rapport à la capacité C. ( la quantité d'énergie que la batterie peut stocker ).
Le régime 1C correspond à un courant qui décharge la batterie en 1 heure.
2C pour une demi-heure, 3C pour vingt minutes, etc...
( Les « bonnes » batteries admettent des régimes 3C, voire plus, mais c'est un peu tiré par les cheveux et risqué...).
Une batterie qui serait sollicitée au-delà de la valeur max spécifiée perdrait sa garantie...
( L'historique de la charge imposée à la batterie est mémorisé par le BMS...).
Les batteries de 50 kWh actuellement montées sur les VEB de gamme moyenne sont spécifiées pour le régime 2C, soit une puissance de 100 kW max, qui correspond à un courant de 250A pour une batterie de 400 V.
Une telle batterie peut donc être chargée avec une puissance max de 100 kW, et alimenter un moteur de 135 CV* ( 1 cheval = 736 W ).
*( Cette puissance, relativement confortable, n'est disponible que durant 45 minutes environ, au terme desquelles la batterie est pratiquement vidée ( en dessous des 10% de charge ). Encore une différence à l'avantage du thermique, qui peut de rouler « plein pot » beaucoup plus longtemps...)
Rouler « plein pot » est très fortement déconseillé sur une voiture électrique équipée d'une batterie de 50 kWh, pour plusieurs raisons :
- Comme montré ci-dessus, la batterie se vide en 45 minutes, ce qui fait désordre.
- A cause de l'absence de boîte de vitesses, le régime moteur atteint des valeurs extrêmes pour lesquelles le rendement est très mauvais, la consommation aussi. On peut alors consommer 25 à 30 kWh/100 km !
- Le moteur chauffe, la batterie aussi, le pire est à craindre.
- Pour des raisons commerciales, certains constructeurs annoncent des vitesses max dépassant de beaucoup les 130 km/h. Un conseil, méfiez-vous, tout le monde ne monte pas des roulements spécifiés à 18 000* tours/mn...).
* Limite actuelle pour ce type de roulement qui concerne le moteur et le convertisseur.
Notre batterie de 50 kWh pourra donc être chargée au régime 2C par une borne capable de délivrer 100 kW.
( La borne de charge est informée de cette valeur limite par le circuit de communication entre le BMS et la borne, et limitera d'elle-même la puissance à 100 kW, même si elle est capable d'en fournir davantage.
Les recommandations de la commission européenne imposent au moins une borne 150 kW dans chaque station établie sur l'itinéraire RTE-T.
Brancher une batterie spécifiée 100 kW sur une borne de 300 kW n'aurait aucun sens car la borne refuserait et limiterait d'elle-même la puissance à 100 kW ).
Pour raccourcir le temps de charge, il faut donc développer des technologies de batteries capables de supporter des régimes de charge/décharge supérieurs à 2C.
C'est le cas sur certains modèles haut de gamme, qui annoncent des valeurs jusqu'à 4C, mais le prix est en proportion....inaccessible aux gammes moyennes aujourd'hui, et très risqué.
( La prochaine génération de batteries au Lithium, dite « à l'état solide », devrait améliorer ce facteur, son introduction est planifiée pour « demain matin », et sa généralisation dépendra des résultats et du coût. Il vaut mieux ne pas trop compter sur elle avant 2028, du moins dans la gamme moyenne...).
L'augmentation de la capacité de batterie, à tension constante, permet d'augmenter l'autonomie du véhicule, mais aussi le courant maximum disponible pour le même régime :
Une capacité de 50kWh peut fournir une puissance de 100 kW en régime 2C.
Si la capacité est de 100 kWh, la puissance disponible en régime 2C passe à 200 kW.
Dans le premier cas la puissance disponible est de 135 CV, dans le second cas elle passe à 270 CV.
Cette augmentation spectaculaire peut être utilisée de deux façons par les constructeurs:
Soit pour augmenter l'autonomie, en conservant un moteur de 135 CV.
Soit en doublant la puissance du moteur pour surclasser la voiture, au détriment de l'augmentation de l'autonomie.
Une voiture de 270 CV se vendra toujours (beaucoup) plus cher qu'une de 135 CV.
Certes, l'autonomie sera un peu augmentée, mais certainement pas doublée...
L'augmentation de la capacité d'une batterie entraîne évidemment une augmentation du courant disponible, et donc des besoins en Cuivre d'une part, et des problèmes de refroidissement d'autre part ( effet Joule ).
Aujourd'hui, l'augmentation des capacités de batterie est surtout utilisée pour augmenter la puissance des voitures et donc passer dans une gamme supérieure plus rentable commercialement.
Mais on peut « imaginer » que dans l'avenir ces grandes capacités serviront à augmenter l'autonomie, en conservant des valeurs de courant raisonnables.
Mais il restera le problème de la recharge.
Pour recharger une batterie de 150 kWh de 10% à 80% en mode 4C et en moins de 15 minutes, il faut un courant de 375 A en 400V.
Pour éviter ces courants très élevés, gros consommateurs de Cuivre ( effet Joule ), il a été décidé de créer une catégorie de motorisations portée à 800 V.
( Encore très peu répandu aujourd'hui sur les VEB )
Pour le moment cette catégorie ne concerne que le très haut de gamme, le « reste » demeure à la tension actuelle de 400 V.
Le passage à 800 V entraîne des problèmes de surcoût au niveau des semiconducteurs, de l'isolation des composants passifs, des bobinages, des roulements du moteur, et de la sécurité en général.
Cette migration est déjà réalisée sur certains modèles haut de gamme, avec plus ou moins de bonheur...Et il faut trouver des bornes de 800 V pour recharger...
La réduction du temps de charge entraîne l'augmentation du courant de charge, qui lui-même entraîne un échauffement de la batterie et donc une dépense énergétique qui doit être évacuée par un système de climatisation. L'énergie « utile » stockée par les cellules est donc inférieure à l'énergie pompée à la borne. Le rapport des deux est le « rendement de charge ».
Il existe de même un « rendement de décharge », qui affecte le rendement énergétique global. A fort régime d'utilisation on peut ainsi perdre quelques pourcents sur le rendement global, selon la qualité de la batterie..
( Le rendement énergétique global d'une voiture électrique n'est pas de 95% comme on le lit parfois ici et là, mais plutôt de 60 à 70% si l'on tient compte de ces pertes au niveau batterie, et au niveau de l'onduleur ).
Le temps de recharge.
On parle ici de la recharge rapide sur les bornes de puissance, celles que l'on est supposé pratiquer sur les aires d'autoroutes... Mais pas dans son garage évidemment.
Le temps de recharge minimum d'une batterie est défini par sa capacité en kWh et par son régime de charge spécifié par le fournisseur de batterie.
Une charge rapide s'effectue généralement entre 10% et 80% de la capacité de la batterie branchée.
Les 10% sont la limite basse que les fabricants de batteries conseillent de respecter en régime de charge rapide.
Les 80% sont la valeur au-dessus de laquelle le courant de charge doit baisser progressivement jusqu'à zéro( pleine charge ), étape qui peut durer des heures et n'est pas du tout compatible avec la notion de charge rapide, ni avec l'impatience des clients qui attendent que la borne soit libérée....
( Cet exercice est effectué sous le contrôle du BMS de la voiture et du logiciel de la borne elle-même. La borne lit d'abord le SOC sur le BMS ( Battery Management System ) de la voiture, et décide si elle est éligible à la charge rapide. Si le SOC indique moins de 10%, la charge rapide peut (doit être) refusée, il faut alors passer sur une autre borne pour une charge « normale ».
La charge rapide peut être également refusée pour d'autres raisons : batterie trop chaude, ou trop froide, trop vieille, en trop mauvais état ( SOH), tension suspecte, etc...
Si la voiture est acceptée, la borne envoie le courant correspondant à la valeur indiquée par le BMS ( régime de charge xC ) dans les limites de ses propres possibilités de puissance !!. La charge s'arrête lorsque l'énergie emmagasinée par la batterie atteint 80% de sa valeur max spécifiée par le BMS.
Une station de charge possède normalement plusieurs bornes de charge. Cette station a souscrit auprès du fournisseur d'énergie électrique un contrat de puissance max, cette puissance est répartie entre les différentes bornes. En cas d'affluence il peut alors être nécessaire de réduire la puissance de certaines bornes, selon les besoins.
En cas d'affluence, on peut avoir la surprise de constater qu'une borne rapide n'accepte de fournir que 30 ou 50 kW...Tout cela est décidé par le logiciel de la compagnie qui gère les bornes, et les tarifs.
Une batterie de 50 kWh spécifiée en régime 2C recevra donc 70% de 50 kWh, soit 35 kWh, en un temps de 20 minutes sur une borne rapide capable de lui fournir 100 kW.
Entre deux recharges semblables, l'autonomie sur autoroute sera donc de 200 km environ, à une allure raisonnable, consommant environ 17 kWh aux 100 km.
( C'est une moyenne évidemment ).
Il n'est pas dramatique de devoir s'arrêter tout les 200 km pour récupérer 35 kWh en 20 minutes !
A condition d'accepter de rallonger d'une bonne heure* le temps de trajet sur un parcours de 600 km.
* ( Temps passé pour réaliser au moins trois recharges de 20 minutes sur bornes rapides capables de délivrer 100 kW . Sans compter les éventuels temps d'attente dus au « queuing ».
On ne sait pas si les usagers accepteront cette contrainte, ou s'ils attendront 2035, (ou 2040 ?) en espérant que les batteries auront évolué vers les 100 kWh, même dans la gamme moyenne.
Il existe une rengaine autour de la possibilité de recharger une batterie en cinq minutes !
Il faudrait pour cela utiliser un régime de charge de 12 C, ce qu'aucune batterie n'est capable de supporter sans exploser dans les trois minutes !
De toutes façons la puissance requise n'est disponible sur aucune borne à ce jour.
( Pour recharger en 5 minutes une batterie de 100 kWh il faudrait une borne de 1,2 Megawatt , ce qui est absurde).
De telles annonces polluent les médias et sont de nature à jeter le trouble dans l'esprit des futurs acheteurs, et les inciter a reporter leur achat puisque demain on rasera gratis...
La technologie actuelle permet d'utiliser le régime charge/décharge de 3C avec des précautions particulières. Ce régime permet une recharge 10%-80% en 15 minutes environ, à condition évidement de trouver une borne capable de délivrer la puissance requise, 150 kW pour une batterie de 50 kWh, et 350 kW pour une batterie de 100 kWh.
Des bornes de 350 kW existent sur certains itinéraires, qui permettent de recharger en 90 minutes des grosses batteries de camions...Jusqu'à 500 kWh.
La sécurité.
Les batteries au Lithium actuelles sont des objets fragiles qu'il faut surveiller comme le lait sur le feu.
La température est optimale entre +20°C et +40 °C.
Le maximum est autour de 60°C, et le minimum autour de – 10 °C.
Au-delà de 60°C, les cellules se détériorent, et un emballement thermique peut se produire, avec incendie.
En dessous de – 10°C, les performances sont très dérériorées, et la batterie peut refuser tout service.
C'est évidemment très inconfortable pour un objet soumis à toutes les conditions climatiques possibles et à toutes les causes internes de réchauffement dues à l'usage normal de la batterie, dont les éléments chauffent en usage normal, avec des écarts différentiels qui ne doivent pas dépasser certaines limites.
La batterie est ainsi une sorte d'usine à gaz dont la gestion est confiée au BMS (Battery Management System ) dont le rôle est de surveiller chaque élément afin que l'ensemble demeure dans des conditions de fonctionnement sûres.
La gestion de température est l'un des points essentiels.
La batterie est équipée d'un système de climatisation plus ou moins sophistiqué selon la classe de la voiture et des conditions d'utilisations tolérées par le cahier des charges.
Ainsi les batteries actuelles supportent très mal les températures extrêmes estivales ou hivernales, qui peuvent diminuer sérieusement la disponibilité et les conditions de recharge.
Une borne de charge rapide refusera de charger une batterie trop froide ou trop chaude. Il faudra donc préalablement la réchauffer, ou la refroidir, grâce au climatiseur de batterie présent dans toute voiture électrique bien élevée ( du moins on l'espère ).
A condition qu'il reste assez d'énergie dans la batterie .
Ne jamais laisser une voiture électrique coucher dehors en hiver avec une batterie presque vide.
Même si la batterie est bien chargée, une voiture électrique n'aiment pas coucher dehors en hiver, et peut le faire savoir en bridant la puissance durant un petit quart d'heure, le temps de se réchauffer elle-même avant de consentir à « lâcher » les chevaux.
Question de savoir vivre... en voiture électrique.
Toutes améliorations technologiques qui pourraient améliorer ces points seraient bien venues.
A voir lorsque la batterie « solid state » arrivera sur le marché...
Toutes ces petites tracasseries devraient normalement disparaître avec les prochaines technologies de batteries, qui devraient arriver dans nos voitures dans trois à cinq ans, ou pas...
Le poids.
La batterie de 50 kWh d'une voiture électrique actuelle induit un surpoids considérable :
La batterie elle-même, son logement, qui doit résister aux agressions que l'on peut imaginer au cours d'un « crash test », et les renforcements du châssis de la voiture pour la protection contre les chocs, des suspensions qui doit supporter ce surpoids et des pneumatiques évidemment ainsi que des freins plus puissants.
Ce surpoids représente le poids de trois ou quatre passagers, ce qui pénalise le rendement énergétique et accroît le coût de fabrication.
Il devient incompatible avec la notion de gamme moyenne, et constitue le principal obstacle à l'augmentation de capacité dans la technologie actuelle.
L'amélioration significative de ces cinq points est la condition de la généralisation de la propulsion électrique souhaitée par Bruxelles.
Certes, les progrès dans ces domaines de haute technologie ne se décrètent pas, mais le diktat du Parlement Européen aura peut-être pour résultat l'accroissement des moyens donnés à la filière pour booster les technologies de pointe dans le domaine, mais aussi le volontarisme des Etats dans les prises de décisions pour les investissements dans les nouvelles filières, notamment les « giga factories » dont on parle beaucoup mais qui tardent à sortir de terre.
Faute de quoi l'ukase de 2035 n'aura servi qu'à ouvrir un peu plus le marché européen à des « amis » qui n'en demandaient pas tant...
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