Batteries, vitales pour l’avenir électrique

La batterie de 12 volts au plomb ne suffit plus pour assurer l’alimentation électrique des véhicules. Dans la perspective de développement de la voiture hybride et électrique, tous les moyens sont mis en œuvre pour trouver le couple électrochimique d’avenir. Cet accumulateur doit, dans un volume restreint et pour un poids raisonnable, donner une quantité d’énergie suffisante pour faire fonctionner un moteur sur plusieurs centaines de kilomètres et être rechargé en quelques minutes. La solution est encore loin d’être trouvée, et les fabricants de batteries comme les constructeurs automobiles travaillent sur de nombreuses solutions.

Les solutions de série

Parmi la dizaine de couples électrochimiques qui ont un potentiel pour la fabrication de batterie, trois solutions ont aujourd’hui la faveur des constructeurs. Longtemps envisagée pour la voiture électrique, la batterie nickel-cadmium est désormais complètement supplantée par les solutions au lithium et nickel métal hydrure. Outre la faible capacité volumique de la solution nickel-cadmium, l’effet mémoire est pénalisant pour un usage où la recharge doit pouvoir être réalisée quel que soit l’état de décharge.

La batterie nickel métal hydrure dispose d’une bonne capacité, pour un coût modéré. C’est la batterie adoptée par Toyota pour ses hybrides Prius, Auris, et par Honda pour les Civic ou Jazz IMA.

Mercedes, sur ses hybrides S400, et Toyota sur la Prius+ rechargeable ont opté pour la solution lithium-ion qui dispose d’une capacité volumique plus importante et permet de concentrer plus d’énergie dans un volume moins important. C’est également la batterie choisie par les constructeurs de voitures électriques (Renault, Tesla, Exagon Furtive…) et pour les hybrides principalement électriques (Chevrolet Volt, Fisker…). Seul Bolloré (avec Pininfarina), pour la Bluecar, adopte un système différent. C’est la division batteries électriques de Bolloré (Batscap) qui la fournit sur la base d’un couple lithium métal polymère (LMP).

Atouts et défauts

L’énergie nécessaire à la propulsion d’un véhicule à moteur électrique exige des intensités et des tensions élevées. Qu’elles soient destinées à des hybrides ou à des électriques pures, les tensions utilisées sont comprises entre 120 et 400 volts. Plus la tension est élevée, moins l’intensité du courant est forte, c’est-à-dire que les câbles pourront être moins gros, mais la gestion électronique de conversion entre batterie et moteur risque d’être plus importante. Il est donc capital de disposer d’ensembles à haute tension, avec beaucoup d’éléments de base (les cellules qui sont assemblées en série et composent la batterie), et que ceux-ci aient une tension individuelle élevée. La cellule de base Ni MH (nickel métal hydrure) présente une tension de 1,6 volt, la li-ion (lithium-ion) une tension de 3,6 à 3,7 volts.

Toutes ces batteries, comme la batterie au plomb, ne fonctionnent bien que dans des plages de températures précises. S’il est admis qu’entre 20 et 80 °C ambiants, les conditions sont les meilleures, la température de la batterie elle-même, doit être comprise entre 60 et 80 °C. Un échauffement trop important peut même conduire à des défaillances graves, voire une combustion pour les ensembles lithium ion, au-delà de 80 °C.

La batterie LMP de Bolloré, qui dispose d’une tension par éléments de 3,6 à 3,7 volts, comme la batterie li-ion, présente l’avantage de pouvoir se présenter sous forme plate, beaucoup plus compacte que les autres solutions. Sa température de fonctionnement de 85 °C constitue en revanche un défaut qui contraint à un contrôle très précis du fonctionnement électrique, en alimentation du moteur, comme en charge.

Quel que soit le fabricant, les batteries sont fournies en “packs” fermés, qui sont installés directement dans le véhicule et sont indépendants du reste de la mécanique.

Les accessoires

Les cellules, regroupées en batteries, sont toujours accompagnées d’équipements nécessaires à leur bon fonctionnement. Un système de refroidissement assure la régulation de la température du pack, à la valeur idéale fixée par le fabricant. En sortie de la batterie, une électronique de puissance et de régulation fixe le débit idéal de courant en fonction de la demande, et gère la recharge, que ce soit par une connexion à une source électrique extérieure ou par récupération avec un alternateur intégré en décélération du véhicule. Un interrupteur permet d’isoler la batterie du reste du véhicule. Celui-ci ne conduit en rien à une décharge des éléments internes de la batterie. Cette dernière reste donc un risque potentiel important en cas de mauvaise manipulation. Le refroidissement, intégré dans le véhicule, est également une source potentielle de mauvais fonctionnement de la batterie, si la circulation d’air est bouchée d’une manière ou d’une autre. En règle générale, la gestion électronique de la batterie, qui comporte des capteurs de température, doit intervenir pour limiter, voire couper, la circulation électrique.

Avec un coût en baisse constante et une production qui s’accroît régulièrement, les batteries pour voitures électriques toujours plus performantes permettront aux constructeurs de proposer des véhicules adaptés à tous les usages. Les entreprises, collectivités locales et services de location sont les cibles idéales, mais avec l’arrivée de familiales traditionnelles (Nissan Leaf, Renault Zoe), un marché émerge, qui peut présenter un potentiel intéressant en réparation comme en entretien.

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FOCUS - Les dangers de l’alimentation électrique

Le courant électrique est dangereux et impose des précautions qui font l’objet de réglementation. Pour les interventions sur les véhicules, une habilitation a été mise en place à plusieurs niveaux. Il est en effet distingué les techniciens capables de débrancher la batterie, c’est-à-dire de mettre le véhicule hors tension, mais sans intervenir sur les circuits électriques. C’est le premier niveau d’habilitation (B0L). Si des travaux sont effectués sur les circuits électriques, même batterie débranchée (mise en consigne), l’habilitation est notée B1L ou B2L, en fonction des responsabilités de chaque opérateur. Pour les dépanneurs ou experts qui sont amenés à approcher des véhicules sous tension, un certificat spécifique B1XL ou B2XL est exigé.

L’habilitation ne suffit pas pour intervenir sur un véhicule électrique ou hybride. Il est nécessaire d’utiliser des outils dédiés, qui ont la particularité d’être isolés, à commencer par la tenue, qui doit comporter des gants et des lunettes de protection. Pour la sécurité de l’environnement, une zone interdite délimitée par des barrières doit également être présente autour du véhicule.

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FOCUS - L’avenir de la voiture électrique

L’enjeu de la voiture électrique mobilise des ressources majeures. Les fabricants de batteries changent. Hormis Varta, sous la houlette de Johnson Controls qui est présent avec Varta sur les batteries au plomb et avec Saft sur les batteries lithium-ion, les autres acteurs ont pour nom Saft, Dow Kokam, A123, Panasonic ou Sanyo… Autant de fournisseurs qui étaient auparavant absents des circuits des équipementiers automobiles.

Après Nissan et la Leaf, Renault commercialise la Zoe, berline urbaine familiale qui répond à des exigences de transports urbains. Bien que bâties sur des plateformes dérivées de voitures classiques, l’optimisation des composants et de l’implantation permet d’envisager un usage régulier pour un coût maîtrisé. Plusieurs autres constructeurs travaillent sur des modèles strictement dédiés à un usage électrique : BMW avec la i3 ou, dans un segment plus exclusif, la Furtive d’Exagon. Plus encore que sur la Tesla, l’implantation des batteries (entre la caisse et le sol), le refroidissement ou les moteurs sont optimisés. C’est à cette condition, ainsi qu’avec l’arrivée de nouvelles batteries, que la voiture électrique se développera.