Comment fonctionne la batterie d’un véhicule électrique ?

batterie voiture

Pièce maîtresse de tout véhicule électrique, la batterie est un système électrochimique réversible qui stocke l’énergie sous forme chimique et la restitue sous forme électrique. De ce fait, elle joue un rôle primordial dans le fonctionnement du moteur et des autres systèmes électriques du véhicule. Alors, comment fonctionne une batterie de véhicule électrique et comment évaluer son état de vieillissement ?

Les principaux composants d’une batterie de voiture électrique

Presque toutes les batteries utilisées actuellement dans les véhicules zéro émissions sont de type lithium-ion. C’est le cas pour l’ensemble voitures 100% électriques Toyota, pionnier sur le marché des véhicules électrifiés depuis les années 90 avec le lancement des premières hybrides. Elles se composent généralement des éléments suivants :

  • Des cellules électrochimiques
  • Un dispositif de refroidissement
  • Une plaque d’isolation
  • Un module de gestion de la batterie (BMS ou Battery Management System)
  • Des contacts et des câbles électriques
  • Un boîtier métallique renfermant l’ensemble des composants

Les cellules électrochimiques représentent le cœur de la batterie. Elles se composent d’un électrolyte, un conducteur ionique, dans lequel baignent deux électrodes : une électrode positive (cathode) et une électrode négative (anode).

Les électrolytes les plus utilisés dans les batteries des véhicules électriques sont des solutions organiques de sels de lithium. Certains fabricants utilisent aussi des oxydes, des sulfures ou des polymères perméables aux ions lithium.

L’anode des batteries Li-ion se compose généralement de graphite. Pour l’électrode, plusieurs combinaisons sont possibles : oxydes de lithium-nickel-cobalt aluminium (NCA), oxydes de lithium-nickel-manganèse-cobalt (NMC) ou encore phosphate de lithium et de fer (LFP). Le choix des matériaux formant la cathode et l’anode détermine en grande partie les propriétés de la batterie.

Par ailleurs, le module de gestion de la batterie (BMS) veille au maintien de la tension nominale de toutes les cellules. Il collecte à chaque instant les données relatives au fonctionnement de la batterie (niveau de charge, température, tension, etc.) et les transmet au calculateur central. Ce dernier pilote électroniquement le fonctionnement de la batterie en fonction des données reçues afin d’en garantir un usage optimal notamment lors de sollicitations thermiques ou électriques extrêmes.

La phase de décharge de la batterie électrique

compteur voiture

Le cycle de décharge se produit lorsque la batterie est utilisée pour alimenter le moteur ou d’autres appareils électriques embarqués. Durant cette phase, l’énergie stockée dans les cellules de la batterie est libérée progressivement sous forme de courant électrique en fonction des besoins en termes d’électricité.

À l’intérieur des cellules, une réaction électrochimique spontanée engendre une migration des ions de l’anode vers la cathode, à travers l’électrolyte, afin de rétablir l’équilibre entre les deux électrodes.

Ce déplacement libère des électrons qui circulent dans le circuit électrique de la batterie, créant ainsi le courant nécessaire au fonctionnement du moteur et des autres appareils électriques. Simultanément, les ions sont piégés dans la cathode pendant la phase de décharge. Lorsque l’équilibre électrochimique entre les deux électrodes est atteint, la batterie ne génère plus de courant et doit donc être rechargée.

La phase de charge de la batterie électrique

La batterie se recharge par le même processus qui est réversible, afin de rétablir le stockage d’énergie dans les cellules. Lorsqu’elle est branchée à une borne de rechargement, les ions stockés dans la cathode sont libérés et se déplacent vers l’anode à travers l’électrolyte.

À mesure que les ions migrent vers l’anode, ils sont piégés par cette dernière, ce qui permet d’augmenter la capacité de stockage d’énergie des cellules. La rapidité de la charge dépend de plusieurs facteurs comme le type du courant (alternatif ou continu), le niveau de charge de la batterie, etc.

L’usure et la et durée de vie d’une batterie rechargeable 

recharge electrique

Durant son cycle de vie, une batterie de véhicule électrique subit deux processus de vieillissement :

  • Le vieillissement calendaire.
  • Le vieillissement cyclique.

Le vieillissement calendaire fait référence à la dégradation naturelle des matériaux dans les cellules de la batterie. Quant au vieillissement cyclique, il correspond à la dégradation entraînée par les cycles répétitifs de charge et de décharge.

On utilise généralement le terme SoH (State of Health ou état de santé) pour déterminer le niveau de vieillissement d’une batterie. Il s’agit d’un pourcentage qui permet de déterminer la capacité actuelle de la batterie par rapport à la capacité nominale indiquée par le constructeur (100 %).

De manière générale, une batterie en fin de vie aura un SoH de 70 à 80 %. Cela correspond à une durée de vie de 1 000 à 1 500 cycles de charge, soit plus de 600 000 km si l’on considère que l’autonomie moyenne des nouvelles voitures électriques est de plus de 400 km.

Conclusion

La batterie Li-ion est la plus utilisée pour la mobilité électrique. Elle se compose de plusieurs éléments dont les plus importants sont les cellules électrochimiques et le système de contrôle électronique BMS. De par son fonctionnement réversible, la batterie stocke de l’énergie durant le cycle de charge et la restitue durant le cycle de décharge.

En utilisant l’indicateur SoH, il est possible d’évaluer l’état de vieillissement de la batterie. D’ailleurs, cet indicateur est très important, notamment lors de l’achat d’une voiture électrique d’occasion. Ceci dit, la durée de vie d’une batterie dépend aussi d’autres facteurs tels que les matériaux utilisés, la configuration des cellules, le style de conduite, l’environnement, le mode de charge, etc.

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