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Recharger les véhicules électriques et hybrides

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Matthieu Glachant
, 
Marie Laure Thibault
, 
Laurent Faucheux

2 - La technologie

Texte intégral

1Ce chapitre présente les technologies mises en œuvre dans l’électro-mobilité, à la fois au niveau des véhicules, des infrastructures de charge, des batteries et des technologies logicielles. Sa lecture n’est pas indispensable aux lecteurs familiers avec l’électro-mobilité.

2.1. Les différents types de véhicules électriques

2Il est usuel de distinguer le véhicule purement électrique et le véhicule hybride rechargeable. Le premier n’a pas de réservoir pour le carburant, ni de moteur thermique. Il est uniquement équipé d’un moteur électrique alimenté par une batterie qui doit être rechargée sur le réseau électrique. Le véhicule hybride rechargeable fait appel à une source d’énergie électrique et à un moteur à combustion interne pour tirer le meilleur parti possible des deux énergies. Le moteur à combustion interne peut fonctionner avec différents carburants : essence, diesel, biocarburant, gaz, etc. L’objectif est d’optimiser la gestion et le pilotage des composants afin de minimiser les consommations d’énergie du véhicule tout en préservant ses performances. La différence avec le véhicule hybride conventionnel du type Prius est que sa batterie peut se recharger sur le réseau électrique alors que le pur hybride est rechargé par le moteur thermique.

3Les véhicules hybrides peuvent avoir cinq fonctionnalités, qui ne sont présentes en intégralité que dans les véhicules rechargeables :

  1. Système stop-start : arrêt du moteur thermique lorsque celui-ci ne produit pas de force motrice pour le véhicule (phase de ralentissement essentiellement). La machine électrique a une puissance supérieure à celle d’un démarreur conventionnel (2 à 4kW).

  2. Système stop and start avec récupération d’énergie au freinage : ces systèmes sont dérivés du précédent mais utilisent une machine plus puissante et un stockage associant une batterie de plus grande capacité.

  3. Assistance au moteur thermique : une machine électrique plus puissante (10 à 20 kW) va permettre en plus des fonctions précédentes d’assister le moteur thermique dans les phases motrices ce qui permet de conserver des bonnes performances dans les faibles régimes tout en utilisant un moteur associé à une forte réduction cylindrée.

  4. Mode tout électrique : cette fonctionnalité correspond à un usage possible du véhicule hybride à partir de sa seule motorisation électrique, c’est-à-dire que le moteur thermique pourra être isolé de la transmission et stoppé durant ces phases. Une grande part des situations défavorables pourra être réalisée en mode tout électrique ce qui permet d’obtenir un gain de consommation qui va jusqu’à 40 % en conduite urbaine mais se réduit à quelques pourcents sur l’autoroute.

  5. Mode tout électrique avec autonomie : ce mode est complémentaire du mode électrique. Il s’en distingue par le fait que l’arrêt du moteur thermique pourra être décidé par le conducteur et maintenu sur une distance significative (all electric range : 5 à 20 km en Europe, jusqu’à 60 km envisagés aux États-Unis). Les performances dynamiques du véhicule seront donc liées à la puissance disponible sur la machine et la batterie (20 à 50kW) et l’autonomie à l’énergie contenue dans la batterie (5 à 20kWh au total).

4Il existe différents types de ces véhicules, dont le degré « d’hybridité » varie en fonction des caractéristiques dont ils disposent. On en trouvera un résumé dans le tableau 1, ci-dessous.

Tableau 1 : les différents types de véhicules électriques

Ce véhicule est

S’il possède un…

Hybride conventionnel

Moyennement hybride

Totalement hybride

Hybride rechargeable

Système stop-start

·

·

·

·

Système stop-start avec récupération d’énergie au freinage

·

·

·

Assistance au moteur thermique

·

·

·

Mode tout électrique

·

·

Mode tout électrique

avec autonomie

·

2.2. Les technologies d’infrastructures de recharge

5Quelles sont les technologies mises en œuvre dans l’électro-mobilité pour recharger les véhicules ? Sont décrites successivement 1) les technologies mobilisées dans les infrastructures de charge, 2) les batteries et 3) les technologies logicielles permettant de gérer la recharge.

  • 5 Groupe de Travail sur la mise en place d’infrastructures pour véhicules électriques ou hybrides rec (...)

6Il n’existe pas encore de standards en matière d’infrastructure de charge pour les véhicules électriques. Les spécifications des types de points de charge (voltage, forme des prises et connecteurs, etc.) varient d’un pays et d’un constructeur à l’autre. La classification exposée ici s’appuie sur les travaux du groupe de travail interministériel de Jean-Louis Legrand5.

Les infrastructures de charge

7Comment les batteries des véhicules hybrides sont-elles rechargées ? Nous distinguerons quatre formes d’infrastructure de charge : la recharge normale, la recharge semi-rapide ou rapide, la recharge très rapide et l’échange de batterie.

La recharge normale

8On l’appelle ainsi car elle est réalisée à partir de la tension normalisée du réseau basse tension en France. Son avantage majeur est que l’installation de bornes de recharge normale n’a pas au départ d’incidence sur le dimensionnement du réseau d’alimentation. Elle fait appel à un matériel de grande diffusion, est peu coûteuse et n’a pas d’impact négatif sur la durée de vie de la batterie lithium-ion. Son inconvénient majeur est la lenteur de la recharge. Le temps nécessaire pour recharge complète d’une batterie de 25 kWh est de l’ordre de 8 à 10h.

9Ce type de recharge est prévu pour toutes les recharges à domicile et pour la très grande majorité des points de charge sur les lieux de travail et parkings privés. La recharge normale peut aussi être utilisée pour la charge sur voirie.

Recharge semi-rapide et rapide

10À la différence de la charge normale, cette technologie n’est utilisable que dans des parkings collectifs, sur la voirie ou dans des stations dédiées. On distingue la charge semi-rapide (24 kW) de la charge rapide (42 kW). Une batterie de 25 kWh est rechargée à 80 % en 25 minutes à 42 kW ; il faut environ une heure en charge semi-rapide.

  • 6 Renault envisage un système où le redresseur est embarqué (c’est-à-dire un élément de la chaîne de (...)

11Le courant est triphasé pour bénéficier de la tension de 400 V entre phases. L’intensité est de 32 à 63 A au niveau du réseau et 100 A au niveau du câblage. Un chargeur redresseur est intégré directement dans la borne pour fournir du courant continu au véhicule6.

12L’avantage de cette recharge est évidemment sa rapidité. Au rang des inconvénients, ce type de charge n’est pas adapté aux VEHR. Les prises et les connecteurs nécessaires ne sont pas encore industrialisés à grande échelle. En avril 2009, la seule station de recharge rapide publique en activité était le Dutch NRGspot (dans la ville de Westminster en 2009). Enfin, le coût d’une borne de recharge rapide est très élevé comme nous le verrons plus loin.

Charge très rapide

  • 7 Le redresseur assure la conversion courant alternatif/courant continu.

13Cette technologie est en cours de développement. Elle alimente le véhicule directement en courant triphasé alternatif grâce au redresseur7 de la chaîne de traction du véhicule. Ce système injecte une puissance de 50 à 250 kW dans le véhicule et permet une charge de 50 % de la batterie en 10 à 15 minutes. Ce système n’a jamais été déployé lors de projets pilotes. Il est actuellement développé par quelques constructeurs de stations de recharge : eTec qui utilise un standard développé par un laboratoire japonais et Coulomb Technologies. Ce système de charge est conçu pour des stations dédiées.

Échange de batterie

14Le dernier type de recharge passe par un échange automatisé de batteries dans des stations-services dédiées. Ces stations pourraient être localisées sur les autoroutes, sur la voirie ou dans des parkings. Le coût d’une telle station d’échange est estimé à 800 k€. Il faut y ajouter l’investissement que représente un stock de batteries prêtes à être échangées. Ces stations sont conçues pour permettre des parcours de grandes distances. Cette technologie a été développée par la firme Better Place en partenariat avec Renault qui conçoit des véhicules compatibles avec ces stations d’échange (suivant le prototype Fluence ZE).

15Le tableau 2 résume les différentes techniques de recharge et leurs usages associés.

Tableau 2 : Les techniques de recharge

Recharge normale

Semi-rapide

Rapide

Station d’échange

16A, monophasé, 3 kW

32 A, triphasé,

22 kW

4 3 kW, 400V, 63A

Charge de 6 à 8 h

1h de charge

Charge en 30 min

Échange en 5 minutes

10 km en 5min

Stock de

20 batteries

90 % des usages Domicile, lieu de travail

Solution d’appoint

Solution grand rouleur

Solution grand rouleur

Points de charge publics :

Domaine public (voirie, places de parkings) ; domaines concédés (gare, port, parkings publics) ; domaine privé relevant du public (commerces), stations services, parkings publics

Points de charge : Stations services Parkings publics

Les batteries

16La motorisation électrique constitue l’énergie motrice des véhicules électriques et hybrides rechargeables et des véhicules électriques-hybrides. La batterie est l’organe qui doit répondre aux nécessités de stockage, de continuité et de fiabilité d’approvisionnement du véhicule en énergie électrique.

Principe de fonctionnement et architecture

17La cellule, unité élémentaire de la batterie, consiste en une pile électrochimique. Elle restitue sous forme d’énergie électrique l’énergie produite par une réaction chimique d’oxydoréduction. Elle est constituée de deux électrodes : l’anode (électrode positive) et la cathode (électrode négative) qui sont séparées par un électrolyte permettant la circulation des ions libérés par la réaction électrochimique.

18Le module est l’assemblage de plusieurs cellules reliées par un circuit électrique. Un circuit de sécurité et de contrôle est inséré sur chaque module.

19Les modules sont enfin assemblés et reliées par un circuit électrique. Une batterie automobile standard contient entre 25 à 150 cellules selon la densité énergétique de la batterie et le type de cellule (McKinsey, 2009). Un système de contrôle et de sécurité de la batterie – battery management system – y est ajouté. Ce composant n’est pas présent dans les batteries pour téléphones portables ou ordinateurs portables pour lesquels le risque de surchauffe est moins grand car une quantité d’énergie plus faible y est stockée.

Figure 1 : De la cellule au pack batterie (Torcheux, 2010)

Figure 1 : De la cellule au pack batterie (Torcheux, 2010)

20Six caractéristiques techniques permettent de juger des performances d’une batterie.

  • Son énergie spécifique : l’énergie stockable par unité de masse. Ce critère détermine l’autonomie de la voiture.

  • Sa densité de puissance : la puissance délivrée par unité de masse. Elle détermine l’accélération du véhicule.

  • Sa « cyclabilité » : elle correspond au nombre de cycles de charge et de décharge pour lequel le niveau d’énergie restitué reste constant. Elle décrit la durée de vie de l’accumulateur.

  • Sa performance : la capacité de la batterie à fonctionner en régime optimal par température extrême.

  • Sa sécurité : certaines réactions chimiques dégagent plus de chaleur que d’autres et peuvent résulter en une surchauffe entraînant des courts-circuits ou une surcharge.

21Pour le véhicule tout électrique, l’objectif est de maximiser l’énergie spécifique de la cellule pour produire le plus d’énergie possible tout en minimisant la masse de la batterie. Pour le VEH et le VEHR, la source principale d’énergie est l’énergie fossile, le moteur électrique n’étant utilisé qu’en dehors du point de fonctionnement optimal du moteur thermique (typiquement lors d’une conduite urbaine) ; le critère à optimiser est la densité de puissance. Cette différence explique pourquoi les cellules de VEH et VEHR sont plus petites que les cellules pour VEH ce qui a des conséquences sur le coût respectif des deux technologies.

La révolution lithium ?

22Les batteries Nickel-métal Hydrure (NiMH) ont équipé les premiers véhicules hybrides comme la Toyota Prius (vendue à 1 million d’exemplaires soit 80 % des ventes d’hybrides dans le monde). Ces batteries sont sûres et ont une longue durée de vie. Elles sont cependant chères et ont une énergie spécifique relativement faible qui ne permet pas d’équiper les véhicules tout électriques. De plus, cette technologie est mature et a atteint une asymptote de performance et de coût.

23Presque tous les constructeurs automobiles envisagent aujourd’hui d’opter pour des batteries au lithium. Celles-ci présentent de nombreux avantages. Le lithium est un matériau léger, ce qui lui confère une haute énergie spécifique. Les perspectives de baisse de coût et d’amélioration des performances technologiques sont importantes. C’est de plus la seule technologie qui permet aujourd’hui d’atteindre une autonomie de 150 km avec un poids acceptable pour un véhicule tout électrique.

24Ces batteries sont de deux types : les batteries lithium-ion et les batteries lithium polymères. Les premières sont équipées d’une anode en carbone et d’une cathode constituée d’une structure cristalline renfermant du lithium (on appelle par la suite matériaux actifs ceux qui constituent la cathode). Le tableau 3 présente les cinq grandes technologies lithium-ion. Aucune technologie ne satisfait l’ensemble des exigences requises et aujourd’hui les batteries les plus performantes sont souvent les moins sûres (Torcheux, 2010). Les constructeurs combinent donc souvent ces technologies pour obtenir les caractéristiques voulues.

  • 8 Source : auteurs. Les batteries LiCo (lithium cobalt) font partie de la famille lithium-ion mais so (...)

Tableau 3 : Les grandes familles de matériaux actuelles Li-ion8

Nom

Cathode

Abréviation

Lithium-nickel-cobalt-Aluminium

LiNi0.85Co0.1A10.05

NCA

Lithium-iron-Phosphate

LiFePO4

LFP

Lithium-Manganèse-spinel (LMS)

LiMn2O4

LMO

Nickel-Manganèse Cobalt

LiNi1/3 Mn 1/3Co1/3O2

NMC

25Les batteries lithium polymères sont constituées d’une anode en lithium métallique et d’une cathode similaire aux piles lithium-ion. Le matériel choisi à la cathode résulte d’un compromis entre coûts, performances recherchées et sécurité. Les batteries lithium polymères sont développées par un nombre plus faible de producteurs (Bolloré et Electrovayaya).

Les batteries lithium : une industrie non mature

26Si la volonté de développer les batteries au lithium est incontestable, il existe encore un décalage entre les annonces de production et la réalité industrielle. Aujourd’hui, les formes et la géométrie des cellules ne sont pas encore figées ; les préséries industrielles de cellules présentent un taux élevé de déchets sachant que les cellules pour batteries automobiles doivent répondre à des critères de sécurité bien supérieurs à ceux des cellules pour l’électronique portative dont le processus d’industrialisation est mature. Autre signe de cette immaturité : il n’existe pas encore de certification de leur performance ni de leur niveau de sécurité. Nous sommes donc encore à un stade précoce de la courbe d’apprentissage même si les performances des batteries lithium ne cessent d’être améliorées (Figure 2).

  • 9 Agence Internationale de l’Énergie, 2007

Figure 2 : évolution de la densité énergétique (Wh/litre) des batteries lithium-ion, comparée aux technologies NiMH et NiCD (Nickel Cadmium)9

Figure 2 : évolution de la densité énergétique (Wh/litre) des batteries lithium-ion, comparée aux technologies NiMH et NiCD (Nickel Cadmium)9
  • 10 Un modèle d’affaires qui permettrait de rendre la batterie plus lucrative : 1re vie =équipement d’u (...)

27Tous les industriels travaillent sur les batteries lithium en présérie pour en réduire le coût du kWh via une utilisation optimisée des matériaux actifs et une optimisation de la production permettant de diminuer les taux de déchets. Ils travaillent également sur la possibilité d’offrir une deuxième vie à la batterie10. Par ailleurs, une commercialisation massive permettrait d’exploiter des économies d’échelle ; la Deutsche Bank estime par exemple que le prix des batteries pourrait être divisé par deux en dix ans. Les batteries automobiles suivraient ainsi la même évolution que celle des batteries équipant les téléphones mobiles et les ordinateurs portables dont le coût a été divisé par trois en dix ans. Une division par deux des coûts actuels, c’est-à-dire un coût de 300 €/kWh selon Torcheux (2010) ou de 250 € selon l’United States Advanced Battery Consortium rendrait le modèle électrique compétitif par rapport au véhicule thermique.

28En résumé, la batterie pour véhicules électrifiés de demain sera au lithium sans que l’on puisse dire aujourd’hui quelle technologie précise s’imposera, alors même que de nombreux constructeurs favorisent les batteries lithium- ion. Cette dernière technologie n’est pas encore mature ; les productions de batteries pour automobile sont au stade de préséries industrielles ou de développement. Le coût des batteries lithium-ion pourrait être divisé par deux, soit environ 300 €/kWh, si des effets volume importants interviennent. Par ailleurs, la sécurité des batteries doit encore être améliorée. Enfin, l’autonomie des batteries restera durablement plafonnée à 200 km.

Les logiciels de gestion des informations

29La diffusion des véhicules électriques et hybrides nécessite également des technologies logicielles pour faire communiquer les différents éléments : le véhicule électrique, les bornes de recharge et plus généralement l’infrastructure produisant et distribuant l’électricité. Le Tableau 4 décrit les informations à produire et à transférer aux différents acteurs impliqués dans la fourniture du service.

Tableau 4 : Informations à fournir aux différents acteurs

Utilisateur du véhicule

L’état de la batterie et l’avancée de la charge

La localisation des points de charge du réseau de recharge (application de géolocalisation prévue par les opérateurs Better Place ou PSA, application de localisation des bornes voirie sur iphone lors du projet pilote Kleber à Strasbourg) L’identification du véhicule et l’autorisation de la charge (badge d’identification fourni par EDF dans le cadre du projet pilote Kléber)

Une interface de facturation client et un système monétique

Gestionnaire de l’infrastructure de recharge

État des bornes (localisation des bornes défectueuses) Facturation client

Producteur de l’électricité

Information instantanée de l’impact de la recharge sur la courbe de recharge

Possibilité ultérieure d’une gestion intelligente de la charge (smart meters et possibilité de V2G et V2H ultérieures)

30Le besoin logiciel varie selon les usages. Une recharge à domicile simple peut s’effectuer sans logiciel spécifique. En effet, le propriétaire du véhicule possède aussi le point de charge et l’énergéticien peut donc facilement identifier l’usager pour la facturation. Des logiciels deviennent nécessaires si l’on veut effectuer une gestion intelligente de la charge (qu’il s’agisse simplement de compteurs intelligents ou des possibilités offertes par le V2G dans un futur plus lointain).

31Pour les infrastructures de recharge partagées, l’identification de l’usager n’est pas immédiate et un logiciel gérant la communication véhicule-borne- gestionnaire de l’infrastructure de recharge est indispensable. Il existe deux technologies permettant d’assurer la facturation client : la localisation de points de charge, la communication avec l’énergéticien et qui sont compatibles avec un usage « smart meter » ou V2G : le car-customer system et la networked infrastructure.

Car-customer system

  • 11 Technologie courant porteur de ligne : cette technologie permet de transmettre l’information via le (...)

32Ce système a été développé par un ingénieur EDF (Cyriacus Bleijs de la DTVE - Bleijs, 2009). Le software est inclus dans l’ordinateur de la voiture. Il suffit d’y intégrer une simple « puce ». L’information sur la recharge s’établit alors entre la puce et la borne via la technologie CPL11. La puce permet ensuite d’établir une connexion Bluetooth avec un téléphone portable ou avec le WIFI à domicile. Ce type de réseau ne nécessite donc pas d’interface homme-machine sur la borne puisque celle-ci est assurée par le téléphone ou l’ordinateur dans la voiture.

33Le grand avantage de ce système est le faible coût de mise en place du software puisqu’il ne requiert que l’installation d’une puce dans l’ordinateur préexistant de la voiture, mais les constructeurs automobiles doivent prévoir en amont de mettre au point un ordinateur qui peut la recevoir. Le débit d’information est moins important que dans le cas de l’infrastructure réseau ou networked infrastructure.

Infrastructure-réseau

34Dans ce réseau, tous les points de charge sont connectés via un réseau ethernet à un serveur central lui-même connecté à internet. Ce système présente l’avantage de centraliser l’information et de la rendre accessible à tous les acteurs (énergéticien, opérateur de mobilité, gestionnaire du point de charge, usager, propriétaire du point de charge). L’interface homme machine est réalisée via l’écran dont les points de charge sont pourvus.

35Son inconvénient est le coût. Il nécessite l’installation et la maintenance d’un réseau ethernet et les écrans sont chers.

Notes

5 Groupe de Travail sur la mise en place d’infrastructures pour véhicules électriques ou hybrides rechargeables – sous-groupe modèle économique, 2009.

6 Renault envisage un système où le redresseur est embarqué (c’est-à-dire un élément de la chaîne de traction du véhicule), ce qui permet une division des coûts de la borne par deux. La borne délivre alors du courant alternatif.

7 Le redresseur assure la conversion courant alternatif/courant continu.

8 Source : auteurs. Les batteries LiCo (lithium cobalt) font partie de la famille lithium-ion mais sont très instables à l’état surchargé. Bien qu’elles équipent 99 % de nos ordinateurs portables, elles seraient trop dangereuses pour des véhicules. Nous choisissons de ne pas les faire figurer dans le tableau.

9 Agence Internationale de l’Énergie, 2007

10 Un modèle d’affaires qui permettrait de rendre la batterie plus lucrative : 1re vie =équipement d’un véhicule neuf, 2e vie = équipement voiture d’occasion, 3e vie = marché du stationnaire (batterie utilisée pour stocker de l’énergie dans les usines de production par exemple), 4e vie = recyclage.

11 Technologie courant porteur de ligne : cette technologie permet de transmettre l’information via le réseau électrique existant et ne nécessite donc pas la création d’un réseau Ether- net pour communiquer l’information.

Table des illustrations

Titre Figure 1 : De la cellule au pack batterie (Torcheux, 2010)
URL http://books.openedition.org/pressesmines/docannexe/image/2241/img-1.png
Fichier image/png, 92k
Titre Figure 2 : évolution de la densité énergétique (Wh/litre) des batteries lithium-ion, comparée aux technologies NiMH et NiCD (Nickel Cadmium)9
URL http://books.openedition.org/pressesmines/docannexe/image/2241/img-2.png
Fichier image/png, 52k

© Presses des Mines, 2013

Conditions d’utilisation : http://www.openedition.org/6540

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