Batterie Lithium Lipo

Transports électriques (Lipo) VS thermique (essence): critères de choix d’une batterie et calculs comparatifs

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Les performances des transports électriques dépendent fortement de la qualité de leurs batteries. C’est actuellement le réel talon d’Achille qui limite le développement de la propulsion électrique, aussi bien dans les transports routiers que maritimes et…qu’aériens bien évidement. Nous vous présentons un rapide petit état de l’art des performances des batteries Lithium-Polymère actuellement sur la marché avec quelques ordres de grandeurs à retenir dont certains sont comparés avec les carburants pétroliers (l’essence dans notre cas).
Autrement dit: quelles sont les caractéristiques d’une bonne batterie pour les transports?

a) Avoir une bonne capacité énergétique massique (kWh/kg)

Un bon rapport kWh/kg c’est la capacité à stocker de l’énergie par unité de masse…les meilleures Lipo actuelles sont à 0.2 kWh/kg c’est encore faible! En comparaison l’essence fournit 13 kWh/kg et avec une correction sur les rendements respectifs sur les cycles énergétiques « du réservoir ou de la batterie à la roue ou à l’hélice » l’essence contient encore plus de 20 fois d’énergie utile par kg…

Énergie utile pour 1 kg de Lipo: 200*0.8 = 160 Wh/kg (à 80% de rendement)

Énergie utile pour 1 kg d’essence: 13 * 0.3 = 3900 Wh/kg (à 30% de rendement)

Ratio: 3900/160 = 24 à la faveur de l’essence!

On pourra retenir un ordre de grandeur de 20.

b) Avoir une bonne capacité énergétique volumique (kWh/L)

Le raisonnement est le même qu’avec la capacité massique. Actuellement les batteries Lipo se situent entre 350-380 Wh/L (données constructeurs).

En essence, correction des rendements fait, c’est 8 fois plus élevé. En effet, 1L d’essence contient 9.7 kWh soit 2.9 kWh utiles/L à 30% de rendement.

Ratio: 2900/365 = 8

On pourra retenir un ordre de grandeur de 10.

Néanmoins, la puissance volumique des moteurs électriques brushless (kW/L) ainsi que leur puissance massique (kW/kg) sont assez largement supérieures au thermique (sauf cas extrêmes…). Ceci compense en partie (mais loin de compenser entièrement) ces faibles capacités de stockage de l’énergie par rapport aux carburants pétroliers…

c) Pouvoir fournir un fort courant de décharge (A) donc une puissance intéressante (W ou kW)

C’est la capacité de la batterie à donner un fort courant de décharge pendant une longue période sans s’endommager et en conservant une  puissance stable. Pouvoir fournir un fort courant de décharge est une avancé majeure des batteries au lithium par rapport aux batteries de générations précédentes (surtout les batterie plomb…qui avouons le sont plus que centenaires!)

Une bonne LiPo actuelle 6S de 22.2V de 5000 mAh a une capacité de courant de décharge de 20 à 30C, ce qui veut dire un courant de décharge maximum de 30 fois sa capacité soit 30*5 = 150A. Nous obtenons une puissance de 22.2 * 5 * 0.9 * 30 = 3000W, en retenant  10% de chute de tension à pleine charge d’où le facteur 0.9.

Ceci pour 800g de batterie ce qui est assez intéressant! Mais évidement, cela ne dure pas très longtemps au bout de 2min13s la batterie est vide.

La comparaison avec les carburant pétroliers est difficile, pour augmenter la puissance en moteur thermique, il suffit d’augmenter la cylindrée et le débit de carburant et comburant consommé. La comparaison ici n’a donc que peu de sens…

d) Fort courant de charge (A)

Une Lipo se charge entre 0.5C et 2C (donc entre 2h et 30 minutes, indépendamment de la capacité…seul la limitation de puissance du chargeur va compter) et la charge doit être totale pour optimiser la durée de vie (les dernier % sont importants car fait en courant faible: regardez sur votre smartphone, c’est eux qui avancent le moins vite)

La charge est donc, au mieux, 15 fois plus lente que la décharge.

Ici aussi la comparaison avec le pétrole n’a pas lieu d’être et peu de sens: le réservoir d’une voiture de 50L soit environ 500 kWh d’énergie « brute » se remplit en moins de 2 minutes soit plus de 250 kWh par minute soit 900MJ/min (1 kWH = 3.6 MJ)…soit 15MJ/s soit…15 MW! Même en corrigeant avec les rendements, cela fait un courant électrique de charge équivalent énorme…

e) Bonne durée de vie: nombre de cycles ou heures de fonctionnement

Les batteries Lithium sont données pour généralement 1000 cycles…en réalité c’est généralement moins et dépend fortement de l’entretien.

On manque un peu d’info et retour d’expérience réel…par exemple j’utilise encore un smartphone qu a dépassé les 4 ans et la capacité de la batterie est encore assez « bonne » (je dirais vers les 50% de la capacité initiale)…elle a donc dépassé les 1000 cycles (mais des cycles pas forcément complets) et peut être fonctionner.

On considère généralement une batterie HS quand elle atteint « seulement » 70% de sa capacité initiale…

Il faudrait là, comparer avec la durée de vie d’un moteur thermique….Il y a 15 ans on m’avait appris qu’un moteur de voiture est dimensionné pour durer 5000 h…soit 250 000 km à 50 km/h de moyenne. Je pense que ce chiffre a baissé depuis…

f) Le prix en kWh stocké

Le Tesla Powerwall est annoncé solaire-photovoltaique/tesla-powerwall-rentable-t13891.html pour 3500$ pour 10 kWh…soit 350$/kWh (tout compris: avec la gestion, le coffret…).

On peut estimer que le coût seul des batterie est à 250$/kWh.
Pour le grand public les meilleurs prix actuel en petites batteries (d’environ 200Wh de capacité) se situe au mieux les 300€/kWh.

On est dans le même ordre de prix.

Mais la qualité d’une batterie n’est pas l’autre…celles de Tesla doivent au top vu leur retour d’expérience.

De l’autre coté, l’essence est vendue moins de 2€ pour 10 kWh…bon bin y a pas photo comme on dit!

Mais l’essence ne s’utilise qu’une seule fois bien évidement et on peut pas la recharger de manière 100% durable au solaire, par exemple…(enfin si mais sur des millions d’années…)

g) Pour que ce comparatif soit complet, il y aurait aussi évoquer l’environnement, le CO2, l’énergie grise, le recyclage…etc… mais ces critères sont plus subjectifs et délicats à mesurer et estimer et nécessiteraient donc une étude bien plus poussée…tant pour les carburants pétrolier (coûts indirects…) que pour les batteries…

En savoir plus: discussion sur l’état de l’art des batteries fin 2016 et forum sur les transports électriques

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