Article de référence | Réf : D5565 v2

Comparaison des batteries lithium-ion par rapport aux technologies traditionnelles aqueuses
Transport électrique routier – Batteries pour véhicules électriques

Auteur(s) : Daniel CHATROUX

Relu et validé le 21 juil. 2021

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RÉSUMÉ

La voiture électrique est un véhicule sans émission locale de polluants et très silencieux par rapport aux véhicules thermiques. L'histoire a été marquée de plusieurs cycles éphémères où son émergence avait été annoncée. Si les technologies des moteurs électriques pour les véhicules sont matures depuis longtemps, le point limitant reste la batterie. Dans ce document, les principales technologies de batteries utilisées dans le domaine automobile sont présentées et comparées selon leurs performances, leur durée de vie réelle et théorique, et leur coût d'utilisation. Un éclairage particulier sera fait sur les batteries lithium, dont le potentiel et les développements réalisés pour les applications nomades montrent que les verrous bloquant l'émergence des voitures électriques sont en train de se lever.

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ABSTRACT

Electric Road Transport - Batteries for Electric Vehicles

The electric car is a vehicle that produces no local emission of pollutants and is low-noise relative to thermal vehicles. History has witnessed several fleeting attempts to bring it into widespread use. Although the technology of electric motors for vehicles has long been mature, the battery is still the weak link. In this article, the main battery technologies used in the automotive field are presented and compared according to their performance, duration of actual and theoretical life, and cost of use. A special focus is made on lithium batteries, whose potential and the developments made for mobile applications show that the obstacles hindering the emergence of electric cars are now being overcome.

Auteur(s)

  • Daniel CHATROUX : Chef de laboratoire - Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives, Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux, Département de l'électricité et de l'hydrogène pour les transports, Service d'intégration des générateurs électrochimiques, Grenoble -

INTRODUCTION

Les véhicules électriques offrent un très faible niveau d'émission locale de polluant, un silence très apprécié des utilisateurs et une facilité de conduite en usage urbain grâce à la transmission directe (sans embrayage).

Les performances en puissance et les accélérations sont équivalentes aux véhicules thermiques. La motorisation électrique apporte aussi une réaction instantanée à la sollicitation et une continuité dans l'accélération, sans besoin de changer des rapports de boîte à vitesses. Par contre, les faibles densités massique et volumique des batteries limitent fortement l'énergie stockée et donc l'autonomie. Ce point est présenté classiquement comme le point limitant le développement des véhicules électriques.

Dans cet article seront détaillées et évaluées les différentes technologies de batteries. Leurs performances en usage réel seront comparées avec celles annoncées dans la littérature, pour analyser l'impact sur le coût d'usage, qui est le second point limitant le développement des véhicules électriques.

Par rapport à l'autonomie et au coût d'usage, nous verrons l'intérêt d'utiliser les batteries en microcycles pour les véhicules hybrides et de choisir des batteries lithium pour le véhicule électrique.

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KEYWORDS

Battery   |   electric vehicle   |   lithium battery   |   hybride vehicle

VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-d5565


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3. Comparaison des batteries lithium-ion par rapport aux technologies traditionnelles aqueuses

Les batteries utilisées traditionnellement sur véhicules (plomb acide – NiCd – NimH) sont des technologies aqueuses. Outre la réaction électrochimique principale, un grand nombre de réactions parasites existent ou s'activent au-delà d'un seuil en tension.

Les accumulateurs lithium n'ont eux que la seule réaction électrochimique des ions lithium. Les réactions de vieillissement sont lentes et sont ici négligées.

Cette différence modifie beaucoup les performances et les contraintes de conception et de gestion pour les packs batteries des véhicules.

Alors que les technologies aqueuses traditionnelles ont des autodécharges à l'échelle de quelques mois, les accumulateurs lithium de bonne qualité peuvent conserver leur énergie pendant plusieurs années.

Les batteries traditionnelles ne nécessitent pas d'électronique de surveillance individuelle des accumulateurs et d'électronique d'équilibrage. En effet, dans une batterie, c'est-à-dire une mise en série d'accumulateurs, un accumulateur pleinement chargé peut continuer à être traversé par un courant. Pour une batterie traditionnelle, une autre réaction électrochimique est alors activée qui utilise l'énergie (décomposition de l'eau, échauffement) sans destruction de l'accumulateur. On peut donc équilibrer les accumulateurs en série, c'est-à-dire les mettre au même état de charge en prolongeant la phase de charge de la batterie par une surcharge.

Pour une batterie lithium, il faut arrêter la charge dès que l'un des accumulateurs est pleinement chargé. Il faut ensuite finir de charger ceux qui ne sont pas pleinement chargés ou plus classiquement décharger ceux qui sont un peu plus chargés. Une batterie lithium impose un circuit électronique de surveillance en tension, qui contrôle tous les étages d'accumulateurs en série, et un circuit électronique d'équilibrage.

Si la connaissance de la fin de charge des batteries aqueuse est connue pour une température ambiante (montée de la tension pour le plomb en charge lente, augmentation de la température et dV/dt négatif pour le NimH à température ambiante en charge rapide), elle est très complexe dès que la batterie est chaude. La surcharge des batteries suite à la difficulté de connaître la fin de charge a un fort impact sur la durée de vie. Par contre, pour le lithium, la fin de charge est très bien définie par une montée de la tension et l'atteinte d'un niveau quelle que soit la température, et pour toute chimie.

Le...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - SCHWARZ (V.), GINDROZ (B.) -   Le stockage électrochimique.  -  MINES-ENERGIE Dossier Stockage de l'Énergie, janv.-fév. 2005. http://www.inter-mines.org/docs/ 2013082456_stock2005_15.pdf

  • (2) - CHATROUX (D.) -   Performances of batteries technologies in vehicle applications.  -  Power Conversion and Intelligent Motion conference, PCIM (2013).

  • (3) - CHATROUX (D.) -   Lithium ion batteries balancing.  -  Power Conversion and Intelligent Motion conference PCIM (2014).

  • (4) - CHATROUX (D.) -   Toyota PRIUS : battery in microcycle mode : the cost of use is divided by five.  -  Power Conversion and Intelligent Motion conference, PCIM (2009).

1 Sites Internet

AVEM site d'information sur le véhicule électrique et hybride https://www.avem.fr/

Histoire de la voiture électrique http://philippe.boursin.perso.sfr.fr/velec/velec.htm

Recherches du CEA sur les batteries pour véhicules électriques http://www.cea.fr/technologies/les-recherches-du-cea-sur-les- batteries-pour-veh

Fonctionnement de la Toyota PRIUS http://www.afcem.org/content/documents/strate-n769; gie-conversion-e-n769;nergie-prius.pdf

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