Sur une aire d’autoroute, deux voitures électriques branchées sur des bornes de recharge de même puissance ne récupéreront pas nécessairement leur autonomie à la même vitesse. Et pour un même véhicule, la durée de la recharge peut varier d’un jour à l’autre. Pour comprendre ces écarts, il faut regarder ce qui se passe entre la borne et la voiture, mais aussi à l’intérieur de la batterie.
La puissance de la borne ne fait pas tout
La recharge repose sur la rencontre entre « une installation qui délivre une certaine puissance et une batterie qui absorbe une certaine puissance », pose Sébastien Patoux, chef du département Batteries au CEA (Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives). Les deux doivent pouvoir suivre : une borne de 300 kW ne permettra pas à une voiture limitée à 100 kW de dépasser cette valeur. À l’inverse, une borne moins puissante que ce que le véhicule peut accepter ralentira la recharge.
Une installation très puissante « apporte la puissance nécessaire, mais il faut que la batterie soit capable d’absorber les pics de puissance », insiste le chercheur. Sur certaines stations, la puissance disponible est également partagée entre plusieurs véhicules : la puissance de recharge annoncée sur la borne n’est donc pas toujours celle reçue par chaque voiture.
De quelques minutes à plusieurs heures pour une charge de 20 à 80 %
Pour mesurer l’effet de la puissance, prenons une batterie de 50 kWh, qui correspond à la batterie moyenne des véhicules électriques commercialisés : passer de 20 à 80 % demande de récupérer 30 kWh. Avec une puissance de charge constante de 7,4 kW, environ 4 h 03 de charge seraient nécessaires, contre 36 minutes à 50 kW et 18 minutes à 100 kW. Ces durées restent théoriques : la puissance inscrite sur la borne n’est pas nécessairement celle que la voiture peut accepter, ni maintenir pendant toute la recharge.
La capacité de la batterie compte également : à puissance de recharge moyenne identique, une batterie deux fois plus grande demandera deux fois plus de temps pour passer de 20 à 80 %. Elle peut toutefois compenser cet écart si elle est conçue pour accepter davantage de puissance. Ainsi, une batterie de 100 kWh met théoriquement 8 h 06 à se recharger à une puissance constante de 7,4 kW, 2 h 44 à 22 kW, 1 h 12 à 50 kW, et 36 minutes à 100 kW. Mais si cette batterie de grande capacité est capable d’absorber une puissance de recharge constante à 300 kW, elle passera de 20 à 80 % en 12 minutes.
| Batterie de 50 kWh | Batterie de 100 kWh |
Energie à récupérer pour passer de 20 à 80 % | 30 kWh | 60 kWh |
Puissance de recharge de 7,4 kW | 4 h 03 min | 8 h 06 min |
Puissance de recharge de 22 kW | 1 h 22 min | 2 h 44 min |
Puissance de recharge de 50 kW | 36 min | 1 h 12 min |
Puissance de recharge de 100 kW | 18 min | 36 min |
Puissance de recharge de 300 kW | Les batteries de 50 kWh n’acceptent généralement pas de tels pics de puissance | 12 min |
À l’intérieur des cellules, un compromis entre énergie et puissance
Mais alors, pourquoi ne pas concevoir toutes les batteries pour qu’elles se rechargent le plus vite possible ? Parce que cet objectif impose des compromis. « Il y a des accumulateurs plutôt conçus pour concentrer davantage d’énergie et d’autres qui misent sur la puissance », explique Sébastien Patoux. La différence tient notamment à la conception des électrodes et aux matériaux entre lesquels les ions lithium se déplacent pendant la recharge. Augmenter leur épaisseur permet de privilégier la quantité d’énergie stockée, mais complique les déplacements rapides des ions. À l’inverse, avec des électrodes très fines, « les ions lithium diffusent très rapidement dans la matière », décrit le chercheur. La contrepartie : « On baisse en densité d’énergie. »
Autrement dit, à masse ou volume comparables, privilégier la rapidité de recharge peut réduire la quantité d’énergie embarquée, donc l’autonomie disponible. Les fabricants doivent trouver un équilibre entre ces performances, le coût et la composition chimique des cellules.
Évacuer la chaleur pour maintenir une recharge rapide
Une forte puissance de recharge impose également de maîtriser la température. « Une bonne gestion thermique autorise la charge rapide tout en limitant les effets négatifs sur la batterie d'une élévation de température », souligne Sébastien Patoux. Le refroidissement constitue donc un autre paramètre qui définit la capacité d’une batterie à se recharger plus rapidement qu’une autre. « Le plus souvent, ce sont des plaques froides dans lesquelles circule un fluide colporteur, qui rafraîchissent en surface les cellules par contact », décrit le chercheur. L’enjeu est d’évacuer la chaleur suffisamment efficacement pour que la voiture puisse maintenir une puissance de recharge élevée.
C’est aussi l’un des intérêts des architectures électriques à 400 ou 800 volts. « Pour une puissance donnée, si la tension monte, on a un courant plus faible », explique-t-il. Réduire cette intensité permet de limiter la surchauffe au niveau des câbles et connecteurs. « Avec un gros pack batterie à 800 volts, on peut charger plus rapidement car il y a moins d’élévation de température », poursuit Sébastien Patoux.
Plus la batterie se remplit, plus la recharge ralentit
Mais même une voiture conçue pour la charge rapide ne reçoit pas sa puissance maximale pendant toute la durée de la recharge. Cela se joue à l’intérieur de l’électrode négative, généralement constituée de graphite organisé en feuillets. Au début de la recharge, les ions lithium disposent de nombreux emplacements pour s’y insérer. Mais, à mesure que la batterie se remplit, leur progression devient plus contrainte : « Le lithium n’a pas le temps de diffuser dans toute la matière. La charge qui était rapide au départ doit être ralentie », explique Sébastien Patoux. C’est ce qu’on appelle l’effet d'entonnoir.
Le système de gestion de la batterie adapte le courant pour protéger les cellules. Ce ralentissement explique pourquoi les derniers pourcentages de batterie sont très lents à récupérer. Généralement, c’est au-delà de 80 % que la puissance de recharge diminue drastiquement, mais ce seuil n’est toutefois pas le même pour toutes les voitures : chaque modèle possède sa propre courbe de recharge.
Pour comparer le temps de charge de deux véhicules, mieux vaut donc regarder le temps nécessaire pour passer de 20 à 80 % que la seule puissance maximale annoncée. Celle-ci peut n’être atteinte que brièvement, alors que c’est la puissance moyenne maintenue qui détermine la durée de la recharge.
Une même voiture peut charger moins vite selon la température
Mais la conception du pack batterie n’explique pas tout. Parmi les autres paramètres, Sébastien Patoux cite la température extérieure : « Une batterie trop froide ou trop chaude accepte moins facilement une recharge rapide », souligne-t-il. Le préconditionnement permet de réchauffer la batterie par temps froid pour améliorer les conditions de recharge. Son activation dépend du modèle de voiture : elle peut être liée à la programmation d’un arrêt dans le système de navigation.
Enfin, rechercher systématiquement la puissance maximale de recharge n’est pas nécessaire à tous les usages. « Même si les technologies de batteries progressent, il n’est pas conseillé de recharger sa voiture tous les jours sur une borne ultrarapide », rappelle le chercheur, qui souligne les contraintes thermiques et le risque de vieillissement accéléré de la batterie. Sans oublier la grande différence de prix entre une charge lente à domicile et une charge rapide en itinérance. Se brancher à une borne de recharge moins puissante pendant un stationnement prolongé est adapté à la grande majorité des usages du quotidien. La recharge rapide trouve en réalité surtout son intérêt en itinérance.
- ↑ : Temps arrondis à la minute, calculés avec une puissance constante effectivement stockée dans la batterie, sans tenir compte des pertes. Toutes les voitures ne peuvent pas accepter ou maintenir les puissances indiquées.
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