Les voitures électriques et leurs sources d'énergie

« Depuis les premières réalisations de véhicules terrestres électriques, dans les années 1830, le frein essentiel à leur développement a été, et reste encore aujourd'hui, lié aux faibles performances des accumulateurs électriques dont l'énergie massique est comprise entre 30 et 120 Wh/kg environ, alors que les carburants pétroliers atteignent 12000 Wh/kg, soit cent fois plus que les meilleurs accumulateurs électrochimiques actuels. Même avec un rendement thermomécanique aussi faible que 25 %, cela confère aux véhicules traditionnels l'autonomie à laquelle nous sommes habitués (entre 500 et 1 000 km), qui plus est avec une recharge très rapide. En effet, la puissance équivalente de recharge (pour 50 litres remplis en 3 minutes) vaut environ 10 MW thermiques ou 2,5 MW utiles. 

Ainsi, deux inconvénients notables du véhicule électrique, liés à son système de stockage d'énergie, apparaissent : 

• d'une part, une masse trop élevée d'accumulateurs ou une faible autonomie, 
• d'autre part, une longue durée de recharge ou une puissance excessive de charge (conditionnée par l'acceptabilité de l'accumulateur et par le coût d'infrastructure). 

En revanche, ses deux principaux atouts sont

• l'absence de pollution atmosphérique locale 
• et le faible bruit acoustique.

[...] pour pallier cette faiblesse des accumulateurs électrochimiques, il est intéressant de réaliser des systèmes hybrides produisant de l'électricité à bord du véhicule. Les solutions qui semblent les plus avancées sur le plan industriel combinent un moteur thermique à combustion interne brûlant un combustible (fossile, méthanol, voire hydrogène), un alternateur et un moteur électrique associé à une petite quantité de batteries. Une alternative très prometteuse consiste à utiliser des piles à combustible qui permettent la production directe d'électricité à partir d'un carburant (l'hydrogène étant l'idéal) pour alimenter un moteur électrique. Des prototypes fonctionnant sur ce principe existent également dans le domaine des voitures légères et des poids lourds. [...] La qualité que l'on attend des véhicules électriques est en premier lieu une absence de rejets gazeux sur le lieu de fonctionnement, afin de réduire la pollution atmosphérique notamment urbaine (fonctionnement « tout électrique ») ou lors des utilisations à l'intérieur de bâtiments. On souhaite également obtenir des améliorations sur le plan énergétique, c'est-à-dire une baisse de consommation des carburants (fonctionnement « hybride »). Les automobiles sont en effet responsables de 20 % des émissions de dioxyde de carbone. En considérant les possibilités technologiques actuelles, les nouvelles contraintes environnementales et la baisse des coûts des technologies de conversion de l'énergie électrique (notamment l'électronique de puissance), on peut penser, avec un bon degré de certitude, qu'une proportion grandissante des automobiles utilisera l'électricité pour la propulsion, mais en conservant comme source primaire d'énergie un combustible: d'abord avec des moteurs thermiques, puis avec des piles à combustible qui, à terme, brûleront de l'hydrogène, carburant idéal. Les limites des capacités de stockage direct de l'énergie électrique continueront probablement à cantonner les véhicules tout électriques rechargeables à des applications toujours marginales.»

Tendances actuelles                                                                                          

Dodge EV

Cette conclusion de Bernard Multon est maintenant datée car de multiples expérimentations sont conduites actuellement pour privilégier la voiture tout électrique . Mais, comme l' annonce le dossier de Science et Vie du mois de janvier 2009,  « avant qu'elle ne signe la voiture de demain, certains défis technologiques doivent encore être relevés  »^[2].

Le Forum scientifique sur la mobilité future 2009  a rendu ses conclusions [3]:

"En attendant l’avènement – prévu à partir de 2020 - de la voiture à hydrogène, le futur proche de l’automobile passe immanquablement par une phase électrique. Que l’on parle de véhicules 100% électriques, hybrides ou plug-in hybrides, le défi est le même: trouver des sources d’approvisionnement électriques suffisantes, efficaces et le moins coûteuses possible. Il faudra également mettre sur pied un réseau de distribution approprié qui permettra au public d’utiliser son véhicule avec la même souplesse qu’il le fait aujourd’hui avec les voitures à moteur thermique…"

Le véhicule hybride, tel qu'il est commercialisé aujourd'hui ( moteur thermique et moteur électrique ), n'est probablement pas une solution durable pour l'automobile .

Pour que les voitures électriques arrivent enfin sur le marché, il faut que les choix technologiques  passent en phase industrielle, c'est à dire qu'il faut construire des usines de batteries d'accumulateurs et structurer le réseau de production et de distribution de l'électricité pour l'automobile. Il faut envisager une évolution des véhicules hybrides actuels vers les VHR ( véhicules hybrides rechargeables ou solution plug-in ) et la recharge rapide bidirectionnelle en conjonction avec la technologie de réseau intelligent pour la gestion de l'énergie par les compagnies d'électricité. Une meilleure gestion de l'énergie fait en sorte que les véhicules se rechargent en heures creuses et fournissent de l'énergie stockée au réseau en période de pointe.

Les "caractéristique suffisantes" sont pour l'instant dans la gamme des 100 km/h et 100 km d'autonomie. Multiplier l'autonomie  par un un facteur 10 ( 1000 km ) nécessitera des progrès technologiques dans la conception des batteries. La technologie lithium-air permet théoriquement des densités énergétiques de 1 kWh/kg ( soit 5 fois plus que les meilleures batteries lithium-ion actuelles) ; 250 kg de batteries Li-air seraient alors suffisants pour permettre à une voiture moyenne de franchir 1000 km. Mais comme l'écrit la revue Auto bio de mars-avril 2009 « il est cependant plus raisonnable d'imaginer limiter l'usage des véhicules électriques à des parcours urbains ou périurbains où leur pollution gazeuse nulle est un atout indéniable. 250 km d'autonomie, 130 km/ h pour moins de 15000 € est un objectif tout à fait réaliste pour le milieu de la prochaine décennie.^[4]»

La technologie hybride

Un véhicule hybride associe deux types de motorisation : un moteur électrique ( alimenté par une batterie électrochimique rechargeable ) et un moteur thermique (alimenté en essence , diesel , biocarburants )^[5] .

L'hybride série

C'est le moteur électrique qui assure la propulsion de la voiture ( application de son couple aux roues ) . Il est alimenté par une batterie électrochimique de forte capacité. Le moteur thermique , qui tourne à régime constant , et  le générateur électrique forment un groupe électrogène qui recharge la batterie. La voiture est d'abord chargée sur le secteur au domicile. L'autonomie "tout électrique" est de 50 km. Au-delà le groupe électrogène se met en route pour étendre le rayon d'action. Exemple la Chevrolet Volt ( General Motors ) : la version définitive de cette berline cinq portes quatre places sera lancée fin 2010. Elle sera dotée d'un moteur électrique de 111 kW (150 ch), alimenté par des batteries lithium-ion rechargeables sur secteur en trois heures ou via le moteur essence faisant office de générateur. La vitesse maxima est de 161 km/h, et les batteries autorisent, à elle seules, une autonomie de 60 kilomètres avant recharge.

L'hybride parallèle

C'est le moteur thermique qui sert à déplacer le véhicule ( transmission mécanique , embrayage , boite de vitesse ) . On lui adjoint un moteur électrique qui utilise l'énergie des batteries électrochimiques rechargeables. Grâce à son couple élevé, disponible immédiatement, le moteur électrique aide le moteur thermique dans les phases où il est peu efficace ( démarrages , reprises ) . Lors des phases de freinage ou de décélération, le moteur électrique se transforme en générateur , récupère une partie de l'énergie cinétique et recharge la batterie.

L'hybride à dérivation de puissance

Comme dans le fonctionnement parallèle , le moteur thermique déplace le véhicule par une transmission mécanique , mais grâce à deux moteurs /générateurs électriques , la transmission mécanique est renforcée par une transmission électrique. C'est le mode adopté par la Prius de Toyota.

Modes de fonctionnement de l'hybride parallèle ( Source de l'image : Wikimedia Commons ) Eng : moteur thermique - Mot : moteur / générateur électrique réversible - Batt : batterie - Tx : transmission - PE : électronique de puissance ( convertisseur )  - Clutch : embrayage (a) Mode électrique seulement  - (b) Mode hybride avec assistance par le moteur électrique (c) Mode hybride : charge de la batterie - (d) Freinage régénérateur

Moteur électrique très compact de la Honda Civic IMA. Il est placé entre le moteur thermique et la boite de vitesse. Vue des bobinages du moteur électrique de seulement 65 mm d’épaisseur.  Ce moteur développe 6 kW à 1000 tr/min, ce qui lui permet d’augmenter le couple moteur .

La technologie plug-in                                                                                      

Voitures hybrides rechargeables et voitures électriques ont besoin d'être branchées sur des bornes électriques pour une recharge des batteries ^[6].

Importance des chargeurs intelligents

La puissance électrique nécessaire pour recharger les  batteries des VE et VHR dépend fortement de l'heure de la recharge. L'Institut de recherche de l'énergie américain EPRI et le laboratoire ORNL prétendent qu'il n'y aurait pas besoin d'unités de production électrique supplémentaires si tous les VE et VHR se branchent à vingt deux heures alors que jusqu'à 160 grandes unités de production supplémentaires pourraient être nécessaires s'ils se branchent à 17 h  sur des chargeurs de 6 kW. D'où l'importance de chargeurs intelligents qui pourront optimiser les heures de recharge en fonction de la puissance disponible et de l'heure de reprise du véhicule^[7].

Réseaux : le véhicule est un moyen de conserver de l'énergie

Les véhicules électriques nécessitent une infrastructure de recharge rapide , 10 minutes pour 80 % de charge totale de la batterie. Quand le nombre de véhicules devient  important un projet intéressant est d'utiliser les flottes de véhicules pour stocker de l'énergie sur le réseau électrique grâce aux chargeurs/ compteurs intelligents et communiquant qui permettent d'échanger de l'électricité avec le réseau suivant les besoins. De nouvelles unités de production d'électricité ne seraient pas nécessaires car les véhicules électriques pourraient contribuer au bon fonctionnement du réseau^[8]. Chaque véhicule devient un système de stockage d'énergie contrôlable à distance, grâce à ses batteries et à un système de communication avec le réseau. Utilisé à grande échelle, le système permettrait de mettre en œuvre une part plus grande de production d'électricité d'origine renouvelable intermittente sur un réseau électrique.

Ainsi Coulomb Technologies a annoncé le réseau ChargePoint ® qui inclut des stations de recharges publiques, un système d'abonnement et une technologie de gestion du réseau électrique. Les stations Smarlet ® sont individuellement contrôlées par le réseau Smarlet Communications et le système de gestion. Elles réalisent un comptage d'énergie bidirectionnel, l'authentification de l'utilisateur et la technologie de réseau local sans fil 802.15.4 qui permet un modèle d'abonnement par la communication avec un centre de données. Le système pourrait être installé dans de nombreux garages et parkings avec l'introduction dès 2010 de véhicules rechargeables par les constructeurs américains^[9][10].

Recharge sur prise universelle 

Une vingtaine de constructeurs et groupes énergétiques ont travaillé à l'élaboration d'une prise universelle triphasée, capable de supporter une tension de 400 volts et jusqu'à 63 ampères et permettant de recharger une voiture électrique en quelques minutes ( Hanovre , 20 avril 2009 ).

• Voiture électrique : toutes également branchées
• Annuaire des voitures électriques
  

Recharge par induction

Juillet 2009 : Nissan propose un système pour recharger sans contact des batteries de voitures électriques ( lors du stationnement dans des parkings spécialement aménagés, ou grâce à la création de voies d'autoroutes dédiées aux voitures électriques, équipées de plaques situées sous le revêtement, permettant aux conducteurs de recharger leur véhicule tout en continuant de rouler.) Le principe utilise l'induction électromagnétique entre deux bobines. Le modèle présenté a une puissance de 10 kW mais la compagnie prévoit de développer un modèle de 3 kW pour les particuliers. 

Les batteries à "haute tension"

  Ce n'est pas une batterie d'accumulateurs au plomb de 12 volts qui fera fonctionner les voitures électriques de demain . Pour alimenter l'électronique de puissance et les moteurs électriques triphasés il faut des batteries qui  délivrent des courants de fort ampérage et des différences de potentiel entre 40 et 300 volts.

« Le problème , c'est la batterie, la batterie et la batterie » [ André Douaud , directeur technique du Comité des constructeurs français d'automobiles ]. La bonne batterie - endurante, légère et bon marché est encore utopique.

La quantité d'énergie stockée dans une batterie (densité énergétique de 30 à 200 Wh/kg ) est 50 fois inférieure à celle stockée dans un carburant liquide ( 10000 Wh/kg ) .

Les batteries sont encore chères  : 1 euro par Wh électrique soit 20000 euros pour 20 kWh  et parcourir 200 km. Elles sont chères car leur production n'est pas encore au stade industriel de masse , et certains composants restent chers ( le cobalt de l'électrode positive et l'électrolyte des batteries Li-ion  par exemple ) .

Les 6 défis technologiques de la batterie ^[11]:

• Améliorer la densité énergétique.
• Et passer des 200 Wh/kg actuels à 300 voire 500 Wh/kg en travaillant sur les matériaux des électrodes et de l'électrolyte.
• Raccourcir le temps de charge.
• Une charge et une recharge rapides impliquent des chargeurs de puissance ( délivrant un courant intense de 50 à 200 A )  et des modalités ne risquant pas de dégrader la batterie.
• Diminuer le risque de courts-circuits .
• Le risque d'explosion  et d'incendie doit être réduit par les techniques de construction des batteries et par leurs systèmes internes de contrôle de sécurité. 
• Exploiter les gisements de lithium ( Argentine , Bolivie , Tibet )
  
• Abaisser les coûts ( 3000 USD la tonne de lithium en 2008 ) .
• Organiser le recyclage.

La batterie Lithium-ion ( ou Li-ion ) 

La batterie rechargeable lithium-ion est à l'heure actuelle celle qui représente le meilleur compromis. Cette technologie offre la plus forte énergie spécifique (énergie/masse) et la plus grande densité d’énergie (énergie/volume) . Sa densité énergétique varie entre 160 et 200 Wh/kg  et son prix reste élevé aux alentours de 500 euros / kWh. Les batteries lithium-ion sont 30 % plus petites et 50 % plus légères que les batteries Ni-MH utilisées par les véhicules électriques hybrides qui circulent actuellement.
Chaque élément produit une différence de potentiel de 3,6 volts.

Site du constructeur allemand Li Tec .

Site du constructeur Saft  .

Site d 'Altairnano.

A123^[12],  Advanced Automotive Batteries , Aleees, Axeon, Axion Power, BYD , China BAK, COBASYS, Douglas Battery, Eagle Picher, East Penn, Edan Technology Inc., Effpower, EIG, Electrovaya, Enerdel, Energy Inovation Group, Enersys, Envia Systems, ETC, EVii, Exide Technologies, Fife Batteries, Firefly Energy, GAIA, Greensaver, GS Yuasa Corporation, Hitachi Vehicle Energy, International Battery, Johnson Controls, K2 Energy Solutions, Kokam, LG Chemicals, LiFeBatt,  Lithium Technology Corporation, Lithium Energy Japan, Mobius Power, Nanoexa, NEC, Nilar, Panasonic EV Energy, Quallion, PowerGenix,  Sion Power,  Thundersky, Tianjin Lishen Battery, Ultralife, Valence Technology.

Batterie LIP (Lithium Ion Polymer)  - Site d' Amperex Technlogie Limited .
Site de BatScap

Exemple

Installation de la batterie dans le Roadster de Tesla Motors

• La batterie de la Tesla Roadster est composée d'environ 6800 unités de cellules Li-Ion  " 18650 " - 18 mm de diamètre et 65 mm de longueur - et sa masse est d'environ 450 kg. Elle est structurée en 11 modules et comporte de nombreux systèmes de sécurité.
• La batterie de la Tesla S est composée de 8000 unités .
  

La batterie au sodium "Zebra"  

Elle fonctionne à 270 ° C avec du Chloroaluminate de sodium  (NaAlCl4)  fondu  comme électrolyte  ( scellé sous vide ) .Sa densité énergétique est de 120 Wh/kg . Utilisée dans plusieurs véhicules électriques ( dont la Think City 550 )  , la batterie Zebra peut supporte quelques milliers de cycles charge-décharge et n'est pas source de toxicité. Ses faiblesses sont sa densité énergétique inférieure à 300 Wh/kg  et la nécessité de chauffer l'électrolyte à 270 ° C ce qui pose des problèmes de gaspillage de l'énergie et de conservation à long terme de la charge.

Technologies	Plomb Acide	NiCd	NiMH	Li-ion	Li-ion polymer	Zebra
Densité énergétique (Wh/kg)	30-50	45-80	60-120	160-200	100-130	120
Nombre de cycles (Charge/décharge)	400 à 1200	2000	1500	500 à 1000	200 à 500	1000
Temps de charge	6 à 12h	1h à 2h	2 à 4h	2 à 4h	2 à 4h	n.c.
Température de fonctionnement	-20 à 60°C	-40 à 60°C	-20 à 60°C	-20 à 60°C	0 à 60°C	270

• Le lithium
• Accumulateur au lithium  
• Recharge rapide ? Une découverte du MIT ( mars 2009 ) 
• Le problème des batteries n'est pas résolu Par Jean Syrota, spécialiste du secteur énergétique (21/05/2009)
• Les voitures avec batteries au lithium ne sont pas des «voitures vertes»

Les supercondensateurs : charges et décharges rapides                         

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