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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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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 - Cet article est la réédition actualisée de l'article [D 5 565] intitulé « Transport électrique routier – Batteries pour véhicules électriques » paru en 2003, rédigé par Renaut Mosdale.
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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VERSIONS
- Version archivée 1 de févr. 2003 par Renaut MOSDALE
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Conclusion
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4. Véhicules électriques à batteries lithium et hybrides à dérivation de puissance essence
Les motorisations électriques peuvent être déclinées à tous les niveaux de puissance nécessaires pour les véhicules. En augmentant les vitesses de rotation des machines électriques, celles-ci peuvent être très compactes. Le rendement de ces machines est très élevé, 90 à 95 % sur une très large plage de variation de puissance.
Les véhicules électriques présentent la particularité d'un très bon rendement en dessous de 90 km/h et en circulation urbaine du fait des rendements des batteries et de la motorisation principalement, et de la récupération au freinage. C'est au contraire le domaine d'utilisation où les moteurs des véhicules thermiques ont des faibles rendements.
Les véhicules hybrides cherchent à combiner une partie des avantages de la traction électrique avec un moteur thermique. Parmi eux, on peut plus particulièrement citer l'hybride série à dérivation de puissance (de type Toyota Prius). L'association d'un train épicycloïdal et d'une génératrice qui prélève de la puissance sur l'un des deux arbres de celui-ci, puissance qui est directement converti en couple sur l'arbre de sortie par le moteur électrique, permet de réaliser une transmission continûment variable (CVT). Avec cette transmission continûment variable, le moteur à essence est alors toujours utilisé à forte charge (fort couple) au régime le plus bas possible permettant de générer la puissance demandée par le roulage. Par contre, il n'y a alors aucune réserve de puissance, ce qui est dangereux. La batterie de puissance de l'hybride a pour première fonction d'apporter 20 kW de puissance instantanément, le temps que le moteur thermique et la transmission continûment variable puissent se positionner sur le nouveau besoin de puissance. Outre l'appoint de puissance en transitoire, la batterie supporte des fonctions annexes comme, par exemple, procurer un peu de roulage en tout électrique, ou récupérer un très faible niveau d'énergie au freinage et en descente, ou encore assurer le roulage à basse vitesse en alternant roulage en électrique moteur arrêté et roulage avec le moteur thermique avec recharge de la batterie. En roulage continu, la batterie n'est pas sollicitée.
La batterie d'un véhicule hybride à dérivation de puissance est ici utilisée sur une faible plage de variation d'état de charge (20 % sur la Prius II) avec principalement des cycles de 5 %. Cela permet une durée de vie élevée (garantie de 8 ans) et un coût d'usage compétitif....
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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).
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
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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