Depuis qu’il existe des voitures électriques s’est posée la question de savoir quels scénarios privilégier pour faire durer le plus longtemps possible leurs batteries de traction avec le maximum de capacité. C’était le cas avec les accumulateurs aux plomb, avec les NiCd, mais également avec les lithium-ion qui sont aujourd’hui majoritairement présents dans nos engins branchés, depuis les trottinettes jusqu’aux utilitaires. Beaucoup le savent déjà : régénérer à fond les batterie à chaque recharge n’est pas une habitude à prendre pour obtenir le meilleur des cellules lithium qui s’usent à l’usage et avec le temps. Un de nos adhérents nous a mis sur la piste d’un article très intéressant à ce sujet, publié sur le site BatteryUniversity.com. Daté de l’année 2010, il est déjà ancien, mais les derniers commentaires éclairés sont tout récents, et la dernière révision date du début 2018 !
Vieillissement
Si certaines technologies de batteries sont peu sensibles au temps qui passe pour leur durée de vie, les cellules lithium-ion, hélas, n’ont pas cette qualité. Autant il est possible de conserver des années des accumulateurs NiCd sans y toucher puis de les ressusciter d’une ou plusieurs recharges, autant pour ceux qui équipent la plupart des voitures électriques aujourd’hui le vieillissement fait son œuvre en même temps que le sablier s’écoule, même s’ils ne sont pas sollicités. « Bien qu’une batterie devrait fournir une capacité de 100% au bout de la première année de service, il est courant de voir des capacités inférieures à celles spécifiées : la durée de conservation peut contribuer à cette perte », confirme BatteryUniversity.com. Deux autres facteurs entre en jeu : le nombre de cycles de recharge/décharge, et les températures élevées. Et justement, les fins de charge constituent des périodes où les cellules sont soumises à davantage de chaleur. Aussi les recharges rapides et les successions de puissantes accélérations. Le site précise : « La résistance interne et l’autodécharge jouent également un rôle, mais moins significatifs ».
Nombre de cycles
Exprimer la durée de vie d’une batterie de traction lithium-ion en années, en kilomètres, comme en nombre de cycles ne relève pas d’une science exacte. Cette dernière façon de faire reste cependant la meilleure, qui permet déjà de comparer entre elles les différentes technologies, pas toutes impactées de la même manière par le temps. Pour ce comptage, on estime un peu artificiellement que les décharges sont établies avec une capacité restante de 20%, et que les recharges sont effectuées le plus à fond possible. Ce scénario est celui qui soumettra le plus les cellules à un échauffement. La répétition de cette étape dans le temps a des effets destructeurs. Au fil des cycles, les batteries perdent progressivement de leur capacité, d’abord de manière peu perceptible, puis de plus en plus rapidement. Une batterie de traction meurt rarement d’un coup. Sa capacité décline d’abord légèrement, puis de plus en plus vite, la cellule la plus faible imposant son diktat.
Kilomètres
Estimer la durée de vie d’une batterie de traction en kilomètres peut cependant avoir du sens, cette fois-ci pour comparer le kilométrage potentiel qu’une voiture électrique peut parcourir, selon des capacités différentes du pack embarqué. Ceci, bien entendu, indépendamment du vieillissement qui interviendra dans le temps. Ainsi, avec un rayon d’action d’environ 120 km, en prenant un nombre moyen de cycles de l’ordre de 1.500, on obtient un potentiel de 180.000 km. Mais avec un pack qui permet de parcourir 300 km après recharge complète, on passe à 450.000 km. La plupart des voitures électriques seront sans doute éliminées de la circulation avant d’y parvenir. Ces chiffres théoriques doivent cependant être relativisés, car ils seront réduits par les roulages par temps froid, avec ou sans chauffage, l’usage de la climatisation l’été, la configuration des déplacements (côtes, fréquents arrêts et redémarrage, vent de face), le type de conduite, etc. Tout cela réduit l’autonomie. A l’inverse, surgonfler les pneus et réaliser de fréquentes recharges partielles aura tendance à l’étirer.
Profondeur de décharge
Tests et graphes à l’appui, BatteryUniversity.com assure que les batteries lithium-ion n’ont pas d’effet mémoire, accepte très bien les décharges partielles, et n’ont pas besoin de décharges complètes périodiques. Un bémol pour ce dernier point, procéder tout de même à un cycle de décharge/recharge complètes permet, dans certaines applications, le bon calibrage de la jauge de capacité associée. C’est la multiplication des petites décharges qui assurerait une vie plus longue à ces accumulateurs. La diversité des composants internes aux cellules, se traduit par autant de comportements différents. Quelques observations avec des batteries employant du nickel, du manganèse et du cobalt : pas plus de 300 cycles de décharge/recharge à 100% avant que la capacité chute en dessous de 70%, 1.500 dans une fourchette de profondeur de décharges régulières de 20 à 40%, mais 10.000 cycles lorsqu’on ne décharge pas de plus de 10% les cellules.
Chaleur et tension élevées
Sont considérées comme élevées pour les batteries lithium-ion à base de nickel, de manganèse et de cobalt, une température supérieure à 30° C et une tension à partir de 4,1 V pour les cellules. « Exposer la batterie à haute température et la laisser dans un état de charge maximum pendant une période prolongée peut être plus stressant que le nombre de cycles de décharge/recharge », explique BatteryUniversity.com. Pour exemple : Au bout d’un an, la capacité récupérable d’une telle batterie stockée à 0° C chargée à 40% est de 98%, mais elle n’est plus que de 65% si elle a été stockée à 40° C en ayant été chargée à 100%. Pire, à 60° C, on ne peut espérer retrouver que 60% de capacité au bout de seulement 3 mois de ce traitement ! Si la plupart des cellules lithium-ion se rechargent à 4,2 V, « toute réduction de la tension de charge de pointe de 0,10 V / cellule est censée doubler la durée de vie en cycles », avec un seuil optimal à 3,92 V. Entre 4,2 V et 3,9, on passe de 300-500 à 2.400-4.000 cycles de décharge/recharge, mais on limite artificiellement la capacité de la batterie à 60-65% !
Limites du principe de réduction de la profondeur de décharge
Pour faire durer les batteries, la plupart des constructeurs limitent leur utilisation sur une plage de 25-85% de leur capacité. En gros, sauf exception, on ne la charge donc pas au dessus de 85%, et la voiture s’arrête quand il reste 25% de capacité. Ce sont ainsi 40% de la capacité réelle de la batterie qui sont pas inaccessibles. S’il semble intéressant de n’effectuer que des recharges partielles, l’utilisation que l’on souhaite faire de sa voiture électrique ne s’y prête pas forcément. Ainsi, si l’on dispose d’une autonomie habituelle d’environ 120 kilomètres et que l’on parcourt en moyenne 85 km par jour sans avoir la possibilité d’effectuer des recharges intermédiaires dans la journée, difficile de faire autrement que de recharger à 100%, ou presque et de descendre assez bas dans la décharge. L’augmentation de la capacité des nouveaux packs tend à gommer ce problème pour les déplacements quotidiens usuels. Avec une profondeur de décharge respective de 80, 40 et 20% on obtiendrait 400, 1.500 ou 1.500 cycles de décharge/recharge, selon ce qui a été indiqué dans le paragraphe ci-dessus intitulé « Profondeur de décharge ». Si le premier scénario permet de parcourir 100 kilomètres, on obtiendra un kilométrage cumulé de 40.000 km. En réduisant la profondeur de décharge à 40% on y gagne, puisqu’on passe à 75.000 km. Mais on y perd à 20% de profondeur de décharge, avec une espérance de seulement 37.500 km avant que les batteries passent en dessous des 70% de capacité.
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