Voitures hybrides et électriques: La batterie expliquée

L’automobile est en période de profonde mutation. Si, il y a à peine quelques années, le moteur atmosphérique à essence comptait pour la presque totalité des motorisations, il en va aujourd’hui bien différemment avec les modèles, hybrides ou électriques qui se multiplient. Au centre de cette révolution technique, on retrouve la batterie.

Nous n'avons pas à creuser trop profondément dans l’histoire des véhicules a motorisation alternative pour nous rendre compte que l'un des plus grands obstacles à l’expansion de ce secteur fut… la batterie !

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Les batteries pour la traction ont traditionnellement été au plomb-acide. Pour être vraiment utile, une voiture familiale typique aurait eu besoin d'une capacité de batterie d'environ 40 kWh, ce qui aurait fourni une autonomie de 300 km. Sauf qu’une batterie au plomb-acide de 40 kWh pèse 1,5 tonne, donc pas très pratique…

Exigences générales

Un faible cout d’achat, une longue durée de vie (plus de 1 000 cycles), un taux d'autodécharge faible (moins de 5 % par mois) et un entretien léger sont les exigences de base pour toutes les batteries. Les batteries de haute tension fonctionnent généralement dans des environnements d'exploitation très difficiles et doivent résister à de larges plages de température (- 30 °C à + 65 °C) ainsi qu’à des chocs, des vibrations et des abus. La légèreté est aussi essentielle pour les batteries utilisées dans les véhicules automobiles.

Les batteries Nickel Métal Hydrure (NiMH)

L'avènement des cellules de haute puissance (NiMH), qui ont réussi à surmonter les problèmes de poids et de température de fonctionnement, a encouragé plusieurs constructeurs automobiles à introduire des véhicules électriques ou électriques hybrides. Ces batteries NiMH fonctionnent à des températures ambiantes normales, elles ont une énergie plus élevée et une plus grande densité de puissance que les batteries au plomb.

Une batterie à haut voltage (NiMH) se compose d'autant de cellules de 1,2 volt que nécessaire pour atteindre la haute tension requise au fonctionnement du moteur électrique. Dans ses véhicules hybrides, Honda a utilisé 120 cellules (ressemblant à des batteries de type D) qui, lorsque connectées en série, produisent 144 volts. Six cellules ont été soudées ensemble par points, puis recouvertes d'une gaine en plastique orange. À chaque extrémité est attachée une bande de détection de chaleur coincée sous la gaine orange. Ces « bâtons », comme on les appelle, sont ensuite boulonnés dans un boitier en plastique.

Toyota et beaucoup d'autres manufacturiers automobiles exploitent 6 cellules moulées dans un module carré. Ensuite, ces modules sont reliés en série pour obtenir la tension spécifiée, généralement de 200 volts ou plus. Toyota a aussi utilisé à quelques reprises 8 cellules par module. La structure de la batterie haute tension est habituellement en métal, contient les cellules nécessaires, des capteurs de températures, un ordinateur pour les commandes du cycle de charge et de décharge, un ventilateur pour contrôler la température et aussi les relais qui relient les câbles orange de haute tension au composant qui gère la traction électrique.

Les batteries au lithium

Récemment, les cellules lithium-ion, qui ont une densité d'énergie encore plus élevée que les cellules NiMH, sont devenues disponibles. Elles fonctionnent également à des températures normales et sont très populaires dans les nouveaux modèles de véhicules.

Ces cellules de haute énergie sont cependant plus vulnérables aux abus. Elles ont besoin du soutien des systèmes de gestion de batterie pour continuellement gérer la température et le niveau de charge et décharge de chacune des cellules, afin de fournir une protection contre la détérioration et veiller à leur durée de vie. Plusieurs types de batterie lithium haut voltage se retrouvent dans des véhicules que je considère encore en phase exploratoire. On retrouve aussi des variantes comme les batteries lithium polymère dans certains hybrides de Kia et Hyundai.

Les batteries au lithium-ion ont une durée de vie approximative de 15 à 20 ans, ce qui est largement supérieur à la durée de vie moyenne d’un véhicule, laquelle est aujourd’hui d’environ 8 ans. Cette technologie récente est beaucoup utilisée, car elle est compatible pour la recharge des véhicules 100 % électriques ou ceux à prolongation d’autonomie (Chevrolet Volt ou Toyota Prius Plug-In). La durée de recharge des véhicules variera en fonction du niveau de borne de recharge auquel on se branche.

Bornes de recharge

Les bornes de recharge délivrent l'énergie nécessaire pour recharger le véhicule, le plus souvent sous la forme d'une tension alternative (CA) élevée. Généralement, trois niveaux de puissance différents ont été définis. Ils n'ont pas les fonctions de chargeur qui doivent transformer l'énergie électrique appliquée directement sur la batterie, mais ils ont plutôt une fonction de synchronisation avec le véhicule pour transférer l’énergie du réseau de façon sécuritaire au chargeur qui, lui, est partie intégrante du véhicule.

Les 3 niveaux de bornes

La borne de niveau 1 est utilisée dans des applications domestiques. En Amérique du Nord, il faut généralement de 15 à 18 ampères à 120 volts délivrant environ1,9 kW de puissance. Le véhicule électrique ou hybride rechargeable est livré avec un EVSE (Electric Vehicule Supply Equipment) ou un cordon d'alimentation standard pour le brancher à une prise de courant domestique. La durée moyenne de recharge est de 8 à 12 heures selon l’état de charge de la batterie haut voltage au branchement.

La borne de niveau 2 délivre jusqu'à 20 kW de puissance d’une source de courant alternatif (AC) d’environ 240V jusqu'à 80 ampères. En Amérique du Nord, la norme J1772 a été définie par la SAE (Society of Automotive Engineers) pour normaliser le connecteur et le câble de charge utilisés pour ce niveau. Ces câbles sont fixés de façon permanente à la station de niveau 2. Le connecteur est aussi communément appelé un « coupleur ». Les particuliers peuvent faire installer chez eux une telle borne de recharge par un électricien certifié, tandis que les entreprises et les collectivités locales peuvent également fournir les bornes de niveau 2 à leurs employés ou clients à petit frais ou gratuitement si elles le souhaitent. La durée moyenne de recharge est d’environ la moitié de celui du niveau 1, donc à peu près 4 à 6 heures, toujours selon l’état de charge de votre batterie haut voltage au branchement.

Les bornes de niveau 3, nouvellement arrivées aux États-Unis – et bientôt au Canada – sont un tantinet différentes, elles sont de vraies bornes de recharge et ont la particularité de fournir une « charge rapide ». Pour ce faire, la borne (ou chargeur) de niveau 3 doit fournir des courants très élevés, de l’ordre de 400 ampères avec des tensions allant de 200 à 450 volts CC, délivrant une puissance maximale de 90 kW. Pour ces bornes, il existe plusieurs normes dans l'industrie, y compris un coupleur hybride SAE J1772, ce qu'on appelle « le combo » qui est en option pour la Chevrolet Spark électrique 2013. Jusqu'à maintenant, 7 manufacturiers automobiles se sont entendus pour offrir cette option prochainement (Audi, BMW, Daimler, Ford, General Motors, Porsche et Volkswagen).

Un autre coupleur que nous retrouvons est le CHAdeMO, fabriqué par les Japonais. Certains véhicules électriques possèdent déjà la capacité de charger avec le coupleur CHAdeMO, comme c’est le cas de la Mitsubishi I-Miev et la Nissan Leaf (si vous avez l’option bien sûr.)

Les bornes de niveau 3 permettent d’obtenir plus de 80 % de la charge complète en moins de 30 minutes. Il s’agit d’un outil idéal pour fournir l’autonomie nécessaire aux véhicules électriques pour de longs trajets avec des arrêts pour faire le plein d’énergie propre.

Et le futur?

Les technologies de batteries existantes vont continuer à s'améliorer lentement chaque année, fournissant plus de cellules par unité de volume et par unité de poids. Pour l’instant la batterie au lithium est une technologie récente et apparue sur les véhicules 2011. Son cout de fabrication n’est généralement pas publié, mais on peut estimer qu’à la mi-2013, il est d'environ 350 $ par kWh. Cela rend le prix de la batterie d’une Tesla avec une capacité de 85 kWh autour de 30 000$. Pour celle de la Nissan Leaf, c’est  8 500$ tandis que celle de la Chevrolet Volt couterait environ 5 800$.

À la fin de 2015, les prix pourraient être de l'ordre de 250 $ par kWh, et de 150 $ par kWh d'ici la fin de 2017. À 150 $ du KWh, alors il devient possible de vendre un véhicule avec une autonomie électrique de 350 km pour 35 000 $.  La fabrication de la batterie reviendrait alors à seulement 9 000 $ (ou 30 % de la facture des matériaux).

Une fois la question du prix résolu, les fabricants pourront se concentrer exclusivement sur l'intégration de nouvelles technologies de batteries. Les technologies émergentes telles que celles de la batterie lithium-air pourraient alors entrer sur le marché après 2020.

Par: Yves Racette, enseignant EMEMM (École des métiers de l'équipement motorisé de Montréal)