Comme tout véhicule, une voiture électrique dispose d’une batterie 12V permettant d’alimenter, entre autres, certains accessoires. Cependant, contrairement aux voitures thermiques, la voiture électrique dispose aussi d’une autre batterie : la batterie de traction. Elle permet de stocker l’énergie électrique nécessaire au fonctionnement du véhicule. En effet, cette batterie est beaucoup plus grande et puissante que la batterie 12V. Elle est capable de délivrer une quantité significative d’énergie rapidement pour une accélération rapide et des vitesses élevées soutenues. De plus, l’efficacité et la longévité de la batterie de traction sont des facteurs clés dans la performance globale du véhicule électrique, ce qui fait de l’innovation et de l’amélioration de cette technologie une priorité dans l’industrie de l’électromobilité.
Fonctionnement d’une batterie de traction :
Une batterie de traction se constitue de modules. Chaque module est un ensemble de “petites batteries” appelées cellules qui se branchent entre elles. Le tout, contrôlé par un logiciel appelé Batteries Management System.
La capacité de charge de la batterie se mesure en kWh (kilowattheure). Plus la batterie a de kWh, plus elle a d’autonomie. (à mettre en perspective avec la puissance du moteur, bien sûr). Par exemple, les premières Renault Zoé avaient des batteries 22 kWh (2012-2016), et les nouvelles disposent d’une batteries 41 kWh (2016-présent).
Selon les technologies des batteries et les matériaux utilisés, la densité énergétique, c’est à dire le nombre de kWh par unité de masse (kWh/kg), varie beaucoup. Aujourd’hui, les batteries de traction qui embarquent un maximum de kWh (et permettent donc une grande autonomie) pour le poids le plus faible sont les batteries lithium-ion. C’est donc ce type de batterie, aussi appelée Li-ion, que l’on retrouve dans la quasi totalité des voitures électriques. Mais comment fonctionnent-elles ?
Petit rappel sur les atomes :
Pour comprendre comment marche une batterie, faisons un petit tour dans le passé. Retournons en 3ème B au cours de chimie de Madame Kambour. Au coeur des batteries se trouvent des atomes. Un atome se compose d’un noyau, chargé positivement, et d’électrons qui gravitent autour, chargés négativement. L’atome est donc électriquement stable. Lors d’une réaction chimique, il est possible de séparer un ou plusieurs électrons de l’atome, qui devient alors un ion. Si nous prenons l’atome de lithium Li, sa réaction de séparation se traduit par l’équation :
Li ⇋ Li+ + e–
Traduction : un atome de lithium (Li) peut se séparer en un ion (Li+) et un électron (e-). Cette réaction est réciproque : un ion (Li+) et un électron (e-) peuvent fusionner pour produire un atome de lithium (Li).
Les cellules des batteries de traction :
Une pile ou batterie (qui n’est rien de plus qu’une pile rechargeable) se compose de trois éléments : une cathode (chargée positivement), une anode (chargée négativement), qui sont les électrodes, et un électrolyte. L’anode est une “barette” de lithium, Li (qui est un métal). Lorsqu’un contact est créé entre l’anode et la cathode, c’est à dire que l’anode et la cathode sont reliées par un fil en métal, il y a un court circuit. Ce court-circuit force les électrons à se séparer des atomes de lithium. Il y a donc une réaction chimique, et création d’électrons et d’ions Li+. Les électrons, attirés par la cathode, passent par le court circuit : il y a création d’un courant électrique. Les ions Li+, qui sont chargés, migrent vers la cathode en passant par l’électrolyte.
Chaque cellule qui compose les modules est une “petite batterie”, où se passe les réactions chimiques de transformation des atomes de lithium en ions et en électrons. Lorsqu’une batterie est chargée et qu’on la sollicite (par exemple, lorsqu’on appuie sur l’accélérateur), les cathodes et les anodes de toutes les cellules se mettent en contact. La réaction chimique s’opère, générant ainsi un courant électrique permettant d’alimenter le moteur électrique de la voiture.
Le module et le pack des batteries de traction :
Selon leurs tailles, les cellules ont une certaine tension, exprimée en Volts et un certain ampérage, exprimé en Ampères. Plus cette tension et cet ampérage sont élevés, plus la batterie est capable de délivrer de l’énergie et de la puissance. Lorsque des cellules sont branchées entre elles, il est possible d’additionner leurs tensions ou leurs ampérages, et d’augmenter ainsi la capacité et la puissance disponibles. Pour faire simple, dix “petites batteries” branchées entre elles égalent une “moyenne batterie”. Cent “petites batteries” branchées entre elles égalent une “grosse batterie”.
Pour les batteries de traction, les cellules se branchent d’abord entre elles en petits “blocs” formant les modules. Les modules se branchent à leur tour ensemble, formant la batterie, aussi appelée “pack” ou “pack batterie”. Dans les batteries de la Renault Zoé par exemple, on compte 192 cellules réparties en 12 modules de 16 cellules chacun.
Le BMS d’une batterie de voiture électrique :
Le Battery Management System (système de management de la batterie), ou BMS, est le logiciel qui pilote et protège la batterie de traction d’un véhicule électrique. Les cellules, chargées et déchargées de manière homogène, préservent la santé du pack, et la protègent des risques d’emballement thermique. Des écarts de charge trop importants entre des cellules peuvent conduire à une détérioration prématurée des batteries. Voire un risque d’embrasement.
Grâce à de nombreux capteurs et composants électroniques actifs, le BMS permet de répartir la charge et la décharge du pack entre chaque cellule uniformément. Le BMS mesure ainsi les tensions des cellules, les températures des modules, les intensités de charge ou de décharge, etc.
Le vieillissement des packs :
Vous l’aurez compris, à chaque cycle de charge et de décharge, les cellules sont le théâtre de millions de déplacements d’ions et d’électrons. Elles passent respectivement de l’anode à la cathode et de la cathode à l’anode. Si les échanges d’électrons ne posent pas de problème, ce n’est pas le cas des échanges d’ions Li+. En effet, lorsque les ions Li+ passent d’une électrode à l’autre, ils endommagent l’électrode d’arrivée.
Ce phénomène de dégradation peut-être quantifié et qualifié grâce à un diagnostic réalisé directement sur la batterie d’une voiture électrique.
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