Le saviez-vous ?


voiture animée
  • Il y a 100 ans, il existait plus de véhicules électriques sur les routes que de véhicules à essence.

  • Pour chaque litre d'essence consommé, un véhicule thermique rejette 2,27 kg de C02 dans l'atmosphère !

  • Comparons le rendement énergétique des différents moteurs existants ; le pourcentage d'énergie restituée par rapport à l'énergie consommée est de :
    • moteur à explosion :   < 35 %
    • moteur Stirling :           < 40 %
    • moteur électrique :     > 95 %


Principes généraux

Le ou les moteurs électriques de traction sont reliés aux roues motrices. Le variateur de vitesse contrôle, gère et régule la puissance distribuée.


Avantages

Humour
  • Véhicule totalement silencieux et non polluant, quelle que soit la vitesse de déplacement,

  • Conduite souple et sans à-coups d'accélération,

  • Plus de système d'injection, de pot d'échappement, de filtre à air, à huile ou à gazole, de boîte de vitesses, d'embrayage, de bougies, de bobine, donc un entretien simplifié à l'extrême,

  • Le meilleur rendement énergétique : au moins 90% de l'energie électrique est transformée en énergie motrice, contrairement aux moteurs thermiques où moins de 35% de l'énergie contenue dans le carburant est transformée en mouvement.

Schéma de fonctionnement d'un véhicule hybride en parallèle Schéma de fonctionnement d'un véhicule hybride en série Schéma de fonctionnement d'un véhicule tout électrique

Schéma fonctionnel d'un véhicule électrique


La chaîne de conversion d'un véhicule tout électrique peut être décomposée en éléments décrits ci-dessus. Il s'agit, si l'on part du réseau d'alimentation alternatif, du chargeur de batteries, de la batterie électrochimique (source embarquée d'énergie électrique), de l'ensemble convertisseur électronique, moteur et commande et enfin, de la transmission mécanique dont la fonction est d'adapter la caractéristique mécanique de la charge à celle du moteur. Pour l'analyse de la consommation totale, il faut aussi prendre en compte les auxiliaires comme le système de refroidissement (air ou eau) du moteur et de son convertisseur électronique ainsi que les différents accessoires classiques des véhicules thermiques (pompe d'assistance de freinage et de direction, pulseur d'air d'habitacle, éclairage...). Bien que nous ne nous intéresserons ici qu'à la chaîne de traction proprement dite, il va de soi que la totalité des équipements électriques doit être optimisée pour maximiser l'autonomie du véhicule.



CO2 Thermique contre électrique


Prenons l’exemple d’une petite voiture à essence (économe) qui consomme 6 litres/100km sur un circuit normalisé . Elle rejette ~145 g/km de CO2. Compte-tenu de la densité énergétique de l’essence (30 MJ/litre) et du rendement du moteur (~0.28), l’énergie utilement consommée par km parcouru sur ce cycle s’élève à (30*0.28*6)/100 soit ~0.504 MJ/km (0.14 kWh/km).
Si cette voiture est mue par un moteur électrique de rendement 0.85, elle consommera au total, pour rouler dans les mêmes conditions que son homologue à essence, 0.5 /0.85 MJ/km, soit 0.55 MJ/km (0.155 kWh/km).
Parking solaire pour voiture électrique Si la batterie est chargée sur le réseau électrique français, la quantité de CO2 émise pour que le véhicule parcourt 1 km s’élève donc à 0.155*50, soit ~ 7,75 g/km (en supposant que la batterie restitue toute l’énergie qu’elle reçoit et en négligeant les pertes en lignes et au niveau du chargeur). Il convient toutefois de préciser que cet avantage en matière de pollution se perd lorsque la production électrique est majoritairement issue du charbon ou du fuel lourd.


Stockage de l'énergie


Batteries embarquées dans une voiture électrique Les batteries se comparent, entre autres, par leur « densité énergétique » : la quantité d’énergie que chacune délivre pour un même poids (Wh/kg). L’énergie électrique se mesure en Wattheures. Pour illustrer ces notions, un véhicule particulier qui roule 1 km à vitesse normale consomme environ 100 Wh prélevés sur sa batterie. Pour les batteries au plomb, on estime leur densité énergétique à 30 Wh/kg. Mais cette technologie est plus couramment employée pour les batteries de démarrage car, pour fournir une autonomie de 200 km à une voiture légère, il lui faudrait embarquer plus de 700 kg de batteries au plomb, sans même tenir compte de leur taux de décharge, généralement inférieur à 50%.

Lors de la conception d'un véhicule électrique, le choix de la batterie est donc primordial et la phase de recherche et développement souvent très longue. En effet, les constructeurs doivent trouver des batteries aux performances adaptées à leur véhicule (autonomie, puissance...) et à un prix raisonnable.


Voici un tour d'horizon des différentes batteries existant sur le marché ainsi que leurs performances.


Définition

Les batteries (ou accumulateurs) sont des systèmes électrochimiques servant à stocker de l'énergie.


les premiers accumulateurs ont été développés en étudiant les réactions du couple électrochimique plomb/acide. Les accumulateurs plomb/acide, de par leur grande simplicité offrent deux avantages significatifs, leur coût peu élevé et leur capacité à débiter de forts courants. S’ils sont satisfaisants pour les applications de démarrage des véhicules, ils s’avèrent peu performants pour propulser des véhicules électriques. Ils sont lourds, se chargent lentement et supportent mal les décharges profondes, celles-ci réduisant leur durée de vie.


Les recherches se sont ensuite orientées vers des accumulateurs pouvant contenir le plus d’énergie possible dans le plus petit volume possible tout en étant les plus légers possible et, bien entendu, les moins coûteux à produire en masse.
D’autres couples électrochimiques, différent du couple plomb/acide ont donc été étudiés et développés par les chercheurs. Ils sont apparus à partir des années 1950 élargissant progressivement la famille des accumulateurs.


On peut distinguer deux types de batteries :

  • Les batteries de démarrage : Elles servent notamment dans les voitures thermiques et doivent fournir beaucoup d'énergie durant une courte durée (démarrage).

  • Les batteries de traction : Elles doivent supporter des décharges importantes et constantes et sont utilisées sur les véhicules électriques.


Batteries au Plomb

Batteries au plomb

Cette technologie est la plus répandue et équipe actuellement de nombreux scooters (EVT, VMoto), vélos et véhicules électriques particuliers et utilitaires (ACG, Reva-i,...).


Il existe plusieurs variantes des batteries au plomb :

Plomb-Acide Utilisées surtout sur les automobiles (batteries de démarrage)
Plomb-Gel Sans entretien, elles sont très utilisées dans le véhicule électrique
Plomb-Silicone Elles commencent à faire leur apparition sur le marché et offrent plus de resistance que les batteries traditionnelles



AVANTAGES

INCONVENIENTS
Le coût : ce sont les moins chers du marché Le poids
  La durée de vie et la faible autonomie


Batteries Nickel-Cadmium (NiCd)

Batteries Nickel-Cadmium

Ce type de batteries est très courante dans l’industrie en général et a équipé un certain nombre d’anciens projets de véhicules électriques : les voitures de Peugeot (106, Partner), Renault (Kangoo), Citroën (Saxo, Berlingo) ainsi que le Scoot'elec de Peugeot.
Elles sont légèrement plus performantes que les batteries au plomb et relativement bon marché. Cependant, elles possèdent un effet mémoire important ce qui rend leur utilisation contraignante. De plus, le cadmium est très polluant et difficile à recycler.


AVANTAGES

INCONVENIENTS
Une Durée de vie importante (1000 cycles) La pollution
  L'effet mémoire


Batteries Nickel-Métal Hydrures (NiMh)

Batteries Nickel-Métal Hydrures

Commercialisées depuis 1990 et avec une durée de vie d'environ 500 cycles, les batteries Ni-Mh sont très utilisées sur les vélos à assistance électriques haut de gamme (Ovo, Flyer...). Elles équipent aussi un grand nombre de véhicules hybrides telle la Toyota Prius.


AVANTAGES

INCONVENIENTS
Peu sensible à l'effet mémoire Ne supporte pas le dépassement de charge
Simple à stocker et transporter Capacité d'auto décharge importante
  Détection de fin de charge difficile


Batteries Nickel-Métal Zinc (NiZn)

Batteries Nickel-Métal Zinc

Avec des caractéristiques "non polluantes", la batterie Nickel-Zinc pourrait concurrencer les classiques batteries au Plomb et même les batteries Nickel Cadmium.
Son prix est deux fois plus élevé que les batteries au Plomb mais offre une densité énergétique plus importante (80Wh/kg contre 30Wh/kg pour le plomb).
Actuellement, certains scooters testent ces batteries.


AVANTAGES

INCONVENIENTS
Une Durée de vie importante (1000 cycles) Capacité d'auto décharge importante


Batteries Sodium Nickel Chlorure - Zebra

Batteries Sodium Nickel Chlorure - Zebra

Cette technologie a été spécifiquement mise au point pour les applications véhicules électriques, transport lourd et transport public.
Avec une température interne de fonctionnement allant de 270 à 350 °C, la batterie Zebra est une batterie chaude sans effet mémoire et qui offre une densité énergétique de 120Wh/kg.
Ces batteries ont été élaborées par la société Suisse MES-DEA et équipe certains véhicules électriques, notamment des utilitaires comme le Citroën Berlingo First.
Son principal inconvénient réside dans sa température de fonctionnement qui oblige l'utilisateur à laisser continuellement le véhicule branché. Les batteries Zebra ne supportent pas la charge rapide.



Batteries Lithium-Ion (Li-ion)


Batteries Lithium-Ion

Utilisée notamment sur les ordinateurs portables, cette technologie est de plus en plus utilisée sur les véhicules électriques : du vélo au bus.
Avec un faible taux de décharge dans le temps et sans effet mémoire, cette batterie offre une densité énergétique importante : 150 Wh/kg en moyenne sur les dernières générations.
Néanmoins, ces batteries sont à manipuler avec précaution en raison du risque d'explosion si elles sont rechargées dans de mauvaises conditions. Si vous êtes équipé de ce genre de batteries sur votre ordinateur, n'ayez crainte : pour préserver les utilisateurs du moindre risque, les fabricants de packs d'accumulateurs au Li-ion insèrent systématiquement un circuit électronique de protection dans leurs batteries.



AVANTAGES

INCONVENIENTS
Une densité énergétique importante et un poids réduit Profondeur de décharge : ces batteries vieillissent moins vite lorsqu'elles sont rechargées tous les 10 % que lorsqu'elles le sont tous les 80 %
Pas d'effet mémoire Risque d'explosion si toutes les conditions de sécurité ne sont pas remplies
Pratiquement pas d'auto décharge ( moins de 10% par an) Technologie chère du fait du Cobalt et du Manganèse utilisé dans les cathodes
Pas de maintenance  


Batteries Lithium-polymère (Li-Po)

Batteries Lithium-Polymère

Apparue au début des années 2000, les batteries lithium-polymère se veulent plus stables que les batteries li-ion même si leur charge est soumise à des règles strictes en terme de sécurité.
On la retrouve aujourd'hui sur certains modèles de vélos à assistance électrique mais aussi sur des voitures.



AVANTAGES

INCONVENIENTS
Peut prendre des formes fines et variées Plus cher que le Li-ion
Peut être déposée sur un support flexible Charge soumise à des règles strictes sous peine de risque d'inflammation
Faible poids (le Li-Po permet parfois d'éliminer la lourde enveloppe de métal)  
Plus sûre que les Li-ion (plus résistante à la surcharge et aux fuites d' électrolytes)  


Batteries Lithium-Phosphate (LiFePO4)


Batteries Lithium-Phosphate

Apparue en 2007, les batteries Lithium-Phosphate se veulent plus sûres, moins toxiques et d'un coût moins élevé que les Lithium-Ion.
En effet, le prix des batteries Lithium-Ion provient en grande partie des matériaux utilisés à la cathode, qui contient du cobalt et/ou du nickel, métaux très chers et rendant plus délicat le multi-sourcing. Dans une batterie Lithium à technique phosphate, les cathodes standard sont remplacées par le phosphate de fer LiFePO4, matériau peu cher, car ne contenant pas de métaux rares, et de plus non toxique contrairement au cobalt. En outre, cette cathode est très stable et ne relâche pas d'oxygène (responsable des explosions et feux des batteries Li-ion) la rendant plus sûre.



Batteries Lithium-Métal polymère (LMP)

Batteries Lithium-Métal polymère

Depuis 2007, la technologie Lithium-Metal-Polymère est entièrement détenue par le groupe français Bolloré qui compte l'exploiter sur sa future voiture électrique la Bluecar, mais également sur le Microbus électrique en partenariat avec Gruau.
La densité énergétique est plus faible que le lithium-ion mais les batteries LMP, entièrement solides, ne présentent pas de risque d'explosion.



AVANTAGES

INCONVENIENTS
Entièrement solide (pas de risque d'explosion) Fonctionnement optimal à température élevée (85 °C)
Faible auto-décharge Pas de réel retour d'expérience
Pas de polluant majeur dans la composition de l'accumulateur (sauf si utilisation d'oxyde de vanadium)  
Pas d'effet mémoire  



Tableaux compraratifs


Densité énergétique (Wh/kg)

Comparatif des densités énergétiques suivant technologie des batteries



Durée de vie (Nombre de cycles de charge et décharge)

Comparatif des durées de vies suivant technologie des batteries



Temps de charge en heures

Comparatif des durées de temps de charge suivant technologie des batteries


Sources : www.avem.fr; www.france-mobilite-electrique.org



Quelques réalités incontournables


Les véhicules électriques ont une autonomie limitée, largement inférieure à celle des véhicules thermiques. De plus, le temps de charge des batteries peut être long, quelques heures, alors que 5 à 10 minutes suffisent pour remplir un réservoir de carburant dans une station-service.


Aussi, vu les perspectives de développement des moyens de stockage de l’électricité embarqués à court et moyen termes, est-il illusoire de penser que le véhicule électrique remplacera à court-terme 100% des véhicules à moteur thermique, surtout en zones continentales. Ce dernier est majoritairement mixte ‘route-ville’, alors que le véhicule 100% électrique, du fait de son autonomie, est plus orienté ‘urbain’ ou zones iliennes.


Toutefois, les progrès réalisés sur les batteries sont indéniables et l’avènement de la filière « lithium » est sans doute, dans ce sens, un événement notable. On peut supposer que ces progrès rendent maintenant possible le développement à une échelle autre que confidentielle de véhicules électriques pour des usages spécifiques caractérisés par d’assez faibles kilométrages journaliers. Il s’agit notamment de véhicules de flottes (Administration, OPT, EDT, livraisons , etc…).