- Innovation créatrice de nouvelles compétences
- Oui
- Innovation génératrice de nouvelles activités
- Oui
- Phase de développement de l'innovation
- Commercialisé depuis plusieurs années
- Date de création
- Date de mise à jour
En bref
Aujourd’hui, les batteries au lithium participent à l’électrification d’une gamme de plus en plus large d’applications. Si elles concernaient initialement les téléphones, les ordinateurs et les petites applications d’outillage, elles ont progressivement évolué vers l’électrification de véhicules hybrides ou entièrement électriques.
Aujourd’hui, de plus en plus de fabricants de véhicules électrique se tournent vers cette technologie pour la transition électrique de leurs flottes.
Choisir la bonne batterie au lithium est donc devenu, aujourd’hui plus que jamais, une tâche complexe, mais plus que jamais nécessaire, surtout au vu des dernières dispositions émanant du Parlement européen, qui a approuvé l’interdiction des ventes de voitures à essence et diesel à partir de 2035.
- Innovation créatrice de nouvelles compétences
- Oui
- Innovation génératrice de nouvelles activités
- Oui
- Phase de développement de l'innovation
- Commercialisé depuis plusieurs années
- Date de création
- Date de mise à jour
Description détaillée
Le principe de la batterie Lithium-ion
Les batteries au lithium ne sont pourtant pas toutes les mêmes ! De nombreux éléments entrent en ligne de compte pour créer la batterie la plus adaptée au besoin de l'électromobilité. Il existe différents types de batteries au lithium sur le marché.
Quelque soit leur technologie, les cellules de batterie sont toujours constituées:
D'une Anode.
D'une Cathode.
D'une Electrolyse.
Selon la composition chimique de ces trois éléments on obtient les différents technologies de batteries.
Composition
La cathode est souvent composée d'oxyde de cobalt ou de manganèse, parfois en phosphate de fer, avec un peu de lithium, tandis que l'anode est en général constituée de graphite
Les quatre chimies les plus utilisées dans les secteur automobile à base de lithium et leurs caractéristiques :
- Lithium/Nickel, Manganèse et Cobalt (NMC).
- Lithium/Nickel, Cobalt, et aluminium (NCA)
- Lithium/Fer, Phosphate (LiFePO4).
- Lithium/Polymère (Li-Po)......
Composition et caractéristiques des batteries au lithium utilisant la chimie NMC:
Grâce à cette chimie, il est possible d’atteindre une énergie spécifique très élevée, allant jusqu’à 220 – 240 Wh/kg.
Actuellement quasiment tous les constructeurs automobiles utilisent cette technologie( Renault Zoé, BMW i3, Peugeot e-208....),
Cette technologie permet de stocker une grande quantité d’énergie avec un poids et un volume réduits, ainsi il y a plus d’énergie dans le véhicule que les autres technologies à base de lithium.
Il existe plusieurs types de chimie NMC :
- NMC 111 (Nickel 33,3 % – Manganèse 33,3 % – Cobalt 33,3 %)
- NMC 622 (Nickel 60 % – Manganèse 20 % – Cobalt 20 %)
- NMC 811 (Nickel 80 % – Manganèse 10 % – Cobalt 10 %)
- Voltage nominal : 3,6 V.
- Densité massique : 220 Wh/Kg.
- Densité d’énergie : 500 Wh/l.
- Cycles de vie complets : 2 000.
Densité d'énergie
C'est la quantité d'énergie électrique que la batterie contient dans un volume ou par unité de poids.
Deux unités de mesure sont employées : le Watt-heure par litre (Wh/L) ou le Watt-heure par kilogramme (Wh/kg).
Composition et caractéristiques des batteries au lithium utilisant la chimie NCA :
En plus des NMC, les batteries utilisant la chimie NCA (Nickel, Cobalt, et aluminium) sont elles aussi utilisées dans le secteur automobile.
Elles ont un indice de sécurité légèrement inférieur à celui des NMC, mais elles ont, dans le même temps, une densité énergétique très élevée, qui atteint 250-300 Wh/Kg.
- Voltage nominal : 3,6 V.
- Densité massique : 250 Wh/Kg.
- Densité d’énergie : 550 Wh/l.
- Cycles de vie complets : 1 000.
Capacité de stockage
En raison de leur grande capacité de stockage d’énergie, les batteries au lithium NCA sont souvent utilisées aux côtés de batteries utilisant les chimies NMC pour obtenir un compromis entre la densité énergétique, la sécurité et la stabilité.
Composition et caractéristiques des batteries au lithium utilisant la chimie LiFePO4 :
La chimie LFP est celle qui répond le mieux aux besoins spécifiques du secteur industriel, ne réclamant pas d’énergies spécifiques excessives, mais nécessitant une sécurité très élevée et des cycles de vie longs.
En effet, les batteries utilisant la chimie LFP sont les plus sûres et les plus stables du marché actuel, et elles sont disponibles dans des formats de grande capacité.
- Voltage nominal : 3,2 V.
- Densité massique : 170 Wh/Kg.
- Densité d’énergie : 350 Wh/l.
- Cycles de vie complets : > 4000.
Batterie LFP
C’est la raison pour laquelle de nombreux constructeurs automobiles ont décidé de réintroduire la chimie LFP pour l’électrification de leurs véhicules.
En premier lieu Tesla, qui l’utilise déjà dans ses véhicules, car elle garantit un meilleur niveau de sécurité, à un coût légèrement inférieur à celui de la chimie NMC.
Composition et caractéristiques des batteries au lithium utilisant la chimie Li-Po :
Les accumulateurs lithium-polymère sont une alternative aux accumulateurs lithium-ion. Ils délivrent un peu moins d'énergie, mais sont beaucoup plus sûrs.
Leur couple électrochimique est le même, mais un gel polymère fige l'électrolyte, ce qui permet de réduire le contenant à une simple enveloppe plastique souple. Le polymère ralentissant le déplacement des ions, l'aptitude à la fourniture de courants importants est réduit et donc sa puissance spécifique est généralement inférieure à celle des éléments Li-Ion de même capacité.
Exemple batterie de la Kia Soul EV:
- Voltage nominal : 3.7 V.
- Densité massique : 180 Wh/Kg.
- Cycle de vie complets : 300 .
Batterie Li-Po
Elles utilisent un électrolyte solide (gélifié). Cela permet de produire des accumulateurs avec des formes très diverses et qui sont plus sûres que les batteries lithium-ion classiques. Ils sont en revanche moins performants et plus chers à produire.
Nous avons présenté les quatre principaux types de chimie les plus utilisés à l’heure actuelle.
Il ne faut toutefois pas croire que ces chimies sont en concurrence les unes avec les autres, bien au contraire !
Elles sont toutes bonnes et performantes, mais chaque chimie au lithium donne le meilleur d’elle-même dans différents domaines d’utilisation.
Les différentes caractéristiques des chimies sont comparées en termes de :
- Énergie spécifique ou Densité massique[Wh/Kg] : c’est le rapport entre la quantité d’énergie contenue (Wh = V x Ah) et le poids de la batterie.
- Sécurité: elle va de pair avec la stabilité thermique, car la sécurité intrinsèque dépend beaucoup de la stabilité thermique des composants.
- Taux C: taux de charge/décharge, c’est-à-dire le rapport entre le courant de charge ou de décharge (A) et la capacité nominale de la cellule (Ah). Il s’agit d’un paramètre étroitement lié à la capacité de la cellule à générer de l’énergie.
- Cycle de vie : Nombre de fois où la cellule peut être déchargée et rechargée jusqu’à ce que la fin de vie soit atteinte, normalement considérée comme atteinte lorsque la capacité résiduelle est de 80 %.
- Coût
Évolution de cette technologie
Les évolutions de cette technologie sont principalement basées sur le remplacement du matériau constituant l'anode ou la cathode.
Actuellement est testé en laboratoire le remplacement de l'anode de graphite par une anode en étain : ceci aurait pour effet de multiplier par 3 la capacité de la batterie et permettrait une recharge plus rapide ainsi qu'un plus grand nombre de cycles de fonctionnement.
Une autre technologie en test actuellement pourrait également se développer : la « lithium-soufre ».
Cette technologie, élaborée par le groupe BASF, pourrait offrir jusqu'à cinq fois la capacité d'endurance du lithium-ion, pour des batteries de même poids. Tout cela, grâce à une densité énergétique pouvant monter jusqu'à 2600 Wh/kg, contre 160 pour le lithium-ion.
L'arrivé d'une autre technologie, le lithium-air pourrait donner un nouveau souffle aux véhicules électriques et hybrides. BMW et Toyota travaillent sur ce projet depuis 2013. Ils annoncent des valeurs impressionnantes:
- 1700 à 2400 Wh/kg
- 5000 Wh/litre
- 750 km d'autonomie
Système BMS des batteries au lithium
La chimie n’est pas le seul élément déterminant pour définir la bonne performance d’une batterie au lithium :
La performance de la batterie découle également d’un autre élément important, le BMS (Battery Management System).
En effet, un système de gestion de batterie intelligent est en mesure d’exploiter au mieux les caractéristiques de la chimie choisie, garantissant ainsi une fiabilité et des performances égales dans le temps.
Les fonctions du BMS :
- Équilibrage des cellules du pack batterie
- Détermination de l'état de charge
- Détermination de la disponibilité de la batterie
- Détermination de l'état de santé
- Gestion de la température des modules
- Surveillance de l'isolation galvanique
- Commande des relais de sécurité
- Surveillance de l'intégrité de la chaîne de traction (Interlock)
- Communication des défauts sur le réseau multiplexé du véhicule
État de charge/décharge
Comme nous avons pu le voir précédemment, chaque cellule est regroupée en module avec un calculateur. Ce calculateur a aussi pour fonction de transmettre la valeur de tension des différentes cellules et de gérer l'équilibrage de la charge et de la décharge des différentes cellules
Gestion de l'état de charge/décharge (S.O.C : State of Charge)
Les cellules Li-Ion étant fragiles, elles ne doivent pas subir de surcharge ni de décharge profonde.
Equilibrage des cellules
L'équilibrage des cellules consiste à orienter une partie du courant de charge vers un circuit dit de dérivation (incluant des transistors dans lequel il sera dissipé par effet Joule). Un courant résiduel continue à charger la cellule à un rythme plus lent.
L'équilibrage de charge des cellules
Ce processus se répète de cellule en cellule jusqu'à ce que toutes les cellules atteignent le seuil de tension de charge.
Ainsi, l'équilibrage de charge des cellules de la batterie de traction diminue les écarts de charge entre les cellules d'un même module de batterie de traction, ce qui améliore l'autonomie du véhicule.
Surcharge
Si on surcharge un accumulateur au lithium, il produit de l'hydrogène. Il y a donc une surpression et un échauffement qui peuvent aller jusqu'à l'explosion de l'élément.
Les Li-Ion sont généralement protégés contre les hausses de température et les surpressions par des circuits de protection interne. Par contre les packs souples Li-po, eux, sont sensibles, et même s'ils n'explosent pas violemment, ils s'enflamment très fortement, ce qui peut causer de graves brûlures
| Constructeurs concernés | Tous les constructeurs proposent dans leur catalogue des véhicules utilisant des batteries à base de lithium.. |
|---|---|
| Innovation engendrant des entretiens | Oui |
| Innovation engendrant des réparations | Oui |
| Dispositif législatif en rapport avec l'innovation | Pour intervenir dans un Pack batterie Lithium d'un véhicule électrique, il faut être habilité B2TL travaux sous tensioni (Norme NF C-18-550). |
| Contrôle technique | La batterie de traction des véhicules électriques ou hybrides est un des points majeurs de la chaine de traction. A ce titre, il est soumis à l'inspection des contrôleurs techniques. |
| Mots-clés | Batterie, lithium, Ion |
Méthodes et pratiques
Toute intervention sur une batterie de traction doit être réalisée par une personne habilitée aux travaux sous tension, ceci afin de respecter les règles de sécurité.
Les techniciens peuvent réaliser les interventions suivantes:
- Contrôles électriques des différents capteurs composant le système de gestion de la batterie
- Contrôle de son circuit de refroidissement
- Contrôle de la gestion de charge/décharge
- Equilibrage des cellules
- Nettoyage des bus bar
- Remplacement d'un module
- Diagnostic de l'état d'une batterie
- Remplacement de la batterie
| Entreprises concernées aujourd'hui | Véhicules industriels, Spécialistes, RA2, RA1 |
|---|---|
| Métiers concernés | Mécanicien technicien VI-VU, Mécanicien-Technicien Auto |
| Précisions sur les métiers concernés | Les techniciens intervenant sur ce système peuvent réaliser: La maintenance d'une batterie de traction |
Impact sur les compétences en atelier
Le technicien intervenant doit posséder une habilitation aux travaux sous tension et maîtriser les aspects suivant:
- Connaître le fonctionnement et la gestion d'une batterie lithium en fonction de sa famille.
- Savoir appliquer une méthode de diagnostic.
- Savoir utiliser un outil de diagnostic.
- Savoir identifier le système de refroidissement de la batterie
- Savoir contrôler la gestion de charge/décharge de la batterie.
Exemple d’outillage approprié
Table de levage : pour permettre le remplacement du bac batterie de traction.
Les outils isolés et EPI et EPC
À lire aussi dans la même section
Les véhicules électriques
Il est nécessaire de préciser qu'il existe plusieurs systèmes d'électrification d'un véhicule. On distingue en effet :
- Les Véhicules Hybrides.
- Les Véhicules Hybrides Rechargeables.
- Les véhicules...
La mise en sécurité des véhicules électriques et hybrides
Les niveaux de tension présents dans les véhicules électriques ou hybrides (plusieurs centaines de Volts) exigent des précautions particulières avant toute intervention.
En effet, ceux-ci peuvent...
Mis à jour
Le rétrofit électrique
Le rétrofit électrique consiste à installer un kit de conversion permettant de transformer un véhicule thermique en véhicule électrique. Il constitue une solution alternative à l’achat d’un véhicule...