Au cours de ces 20 dernières années, la technologie de batterie lithium-ion a fait son chemin jusqu'aux avant-postes du marché automobile. Ces batteries permettent aux fabricants automobiles de redéfinir le transport particulier et professionnel en réduisant ou en éliminant le besoin de carburants fossiles dans les moteurs à combustion interne. Mais la technologie des batteries des véhicules électriques repousse continuellement les limites des capacités des batteries lithium-ion en termes de puissance, de longévité et de sécurité.
Nous passerons en revue certaines des technologies disponibles actuellement sur le marché pour les batteries des véhicules électriques et nous analyserons les différentes tailles de l'élément de batterie dans les divers systèmes de véhicules électriques.
Types de véhicules électriques
Les fabricants de véhicules électriques populaires tels que Tesla, Honda, BMW, Ford et Porsche créent des voitures électriques innovantes qui utilisent la technologie de batterie lithium-ion. Les véhicules entièrement électriques comptent exclusivement sur la puissance électrique pour fonctionner, alors que les véhicules électriques hybrides rechargeables fonctionnent conjointement avec les moteurs à combustion interne pour générer et fournir une alimentation. Ces différents types de véhicules requièrent différents niveaux de complexité et de taille de batterie.
1. Véhicules entièrement électriques équipés d'une batterie
Tesla, actuellement le fabricant de véhicules électriques le plus important au monde, crée des voitures dotées de systèmes de batterie de 110 kWh. Ces voitures peuvent stocker suffisamment d'énergie pour alimenter une ampoule standard de 60 W pendant plus de 76 jours ou le Modèle S de Tesla sur près de 645 km. La dernière batterie contiendra sûrement plusieurs milliers des 2 170 cellules lithium-ion dont Tesla a le secret.
Les cellules lithium-ion 2170 de Tesla sont 10 à 15 % plus efficacesen matière énergétique que les cellules Panasonic 18650 qui équipaient les modèles précédents. La solution de batterie 100 kWh de Tesla, basée sur le modèle 18650, contient 8 256 cellules (12 Ah/cellule), distribuées de manière égale sur 16 modules de batterie. Cette solution peut alimenter le Modèle S sur plus de 480 km.
Le nouveau Porsche Taycan (la réponse de Porsche aux performances du Modèle S qui est le véhicule électrique hautes performances de Tesla) comprend une batterie 93,4 kWh qui produit 800 V au lieu des 400 V standard que l'on trouve sur la plupart des autres véhicules électriques. La batterie du Taycan compte 33 modules de batterie avec 12 cellules chacun, pour un total de 396 cellules lithium-ion capables de stocker une énorme quantité équivalente à 235,8 Wh/cellule. Du fait que la vitesse de chargement de la batterie est limitée par le courant, la tension supérieure produite par ces cellules engendre une diminution du poids du système et une charge plus rapide. Cependant, ce système de batterie hautes performances présente des défis de conception uniques et requiert une conversion de l'alimentation et une protection électrique plus avancées pour faire fonctionner les sous-systèmes du véhicule.
2. Véhicules hybrides rechargeables
La voiture hybride rechargeable la plus populaire de Toyota, la Prius Prime, propose une batterie de 8,8 kWh qui permet au véhicule d'atteindre 4,27 L/100 km en ville. Les conducteurs peuvent recharger la batterie de 8,8 kWh à la maison ou en déplacement, et parce que la Prius Prime consomme plus d'électricité que de carburant, elle permet de faire des économies à la pompe. La Prius Prime est alimentée par cinq modules de batterie, chacun contenant 19 cellules LI (95 cellules) pour une capacité totale de 8,8 kWh. À titre de comparaison, le modèle Prius standard (l'hybride le plus populaire au monde) contient une batterie bien plus petite, avec seulement 2 modules de 28 cellules chacun (pour un total de 56 cellules), ce qui équivaut à une capacité finale de 0,745 kWh. Remarquons que les densités énergétiques des véhicules hybrides rechargeables et des véhicules électriques hybrides sont respectivement de 92,6 Wh/cellule et de 13,3 Wh/cellule. Cette batterie, supérieure en capacité et densité énergétique, est idéale pour alimenter des charges de travail plus importantes sur le véhicule, ce qui rend la Prius Prime plus dépendante en énergie électrique que la Prius standard. De nombreux autres fabricants proposent plusieurs modèles avec des systèmes différents de capacité et d'utilisation de la batterie.
Systèmes de gestion de la batterie des véhicules électriques : vitesse, sécurité, etc.
La capacité de la batterie dépend des différents véhicules électriques, mais il ne s'agit pas du seul critère. Lors de la conception des systèmes de batterie des véhicules électriques, les ingénieurs tiennent également compte de la vitesse de charge, de la capacité des cycles de charge, de la dégradation, de la chimie et bien sûr, de la sécurité. La plupart des applications de véhicules électriques ont atteint les seuils d'énergie et de densité de puissance, mais les fabricants innovent constamment sur les tailles de modules et de cellules pour optimiser les niveaux de performances.
Quelle que soit la taille des cellules et modules de batterie lithium-ion, les systèmes de batterie à haute tension qui alimentent les véhicules électriques requièrent des systèmes de gestion de la batterie dotés d'une conception méticuleuse afin d'optimiser la puissance et la sécurité. La technologie des systèmes de gestion des batteries et les fabricants de composants clés tels que Silicon Labs et Pulse Electronics sont des éléments essentiels pour faire avancer les technologies électroniques liées aux batteries des véhicules et la production de cellules et de modules lithium-ion dans le secteur des véhicules électriques.