Comment recharger les batteries lithium-ion pour les faire durer ?

Posté le 23/01/2018 à 06:00 par Philippe Schwoerer - Lu 5402 fois - 21 commentaires

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.

Posté le 23-01-2018 à 07:17:11 par Type batteries

La page BU-205: Types of Lithium-ion du même site est intéressante pour connaître le nombre de cycles théoriques de chaque type de batterie :
- Lithium Titanate (Li4Ti5O12) - triplette - 3000–7000
- Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4) - Leaf 1, Kangoo 1, Zoé 22 - 300–700,
- Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (LiNiMnCoO2 or NMC) - Zoé 40 - 1000–2000,
- Lithium Iron Phosphate(LiFePO4) - Mia - 1000–2000,
- Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (LiNiCoAlO2 or NCA) - 500.

Posté le 23-01-2018 à 09:22:17 par ZoéT

Pas trop le choix, vu que j’ai souvent des imprévus, donc charge totale tous les soirs.

Posté le 23-01-2018 à 12:11:05 par Toomy75

Chaque modèle de voiture electrique ou hybride rechargeable a donc un scénario different de recharge optimale ?
Mais grosso modo, pour simplifier, il vaut mieux se recharger en charge LENTE dès que le niveau de batterie descend à 50% ?

Posté le 23-01-2018 à 13:38:42 par PMC

Voilà qui explique pourquoi et comment certaines batteries ont plus de capacité que d’autres à la longue sur une même voiture.

Posté le 23-01-2018 à 14:40:41 par MaglioZE

Pas évident à mettre en oeuvre les bonnes habitudes pour faire durer les batteries des voitures électriques. Je ne sais jamais combien de kilomètres je vais avoir à parcourir dans la journée. Je laisse la voiture branchée toute la nuit pour avoir le maximum d’autonomie en partant. La charge n’est pas toujours terminée. J’apprends que c’est une bonne chose.

Posté le 23-01-2018 à 22:12:45 par nimbus

Merci, enfin un article sur les batteries intéressant.Encore merci

Posté le 24-01-2018 à 09:17:13 par Camille V

Bon à savoir !

Posté le 24-01-2018 à 11:03:40 par JMV55

Une véritable mine d’infos ce site BatteryUniversity.com. Le premier commentaire m’a donné l’envie d’y faire un saut, et voilà ce que j’apprends pour ma Peugeot iOn dérivée de l’I-MIEV de Mitsubishi : "Longue durée de vie, charge rapide, large plage de température mais faible énergie spécifique et coûteuse. Parmi les batteries Li-ion les plus sûres".
Entre 3.000 et 7.000 cycles !? Même à 60 km par cycle, ça fait entre 180.000 et 420.000 km a priori d’assurés avant de déscendre en dessous de 70% de capacité.
Pas de soucis à se faire, alors ! Juste chouchouter ces batteries.

Posté le 24-01-2018 à 13:02:38 par ZoéT

"Leaf 1, Kangoo 1, Zoé 22 - 300–700" : inquiétant, non !

Posté le 24-01-2018 à 13:53:16 par VTTAE74

10 fois plus de cycles pour les batteries des i-MIEV que pour celles des premières Zoé et Leaf : c’est énorme ! Il n’y aurait pas un problème ? Ca se saurait déjà, non, si les Zoé avaient des batteries avec une espérance de vie si limitée !?

Posté le 24-01-2018 à 16:48:29 par Christophe

@VTTAE74
Le nombre de cycles est une chose et comme l’a dit Philippe cela permet de comparer les technologies entre elles.
La capacité brute et la conso. du véhicule en sont d’autres.
3 exemples :
1- C-zéro : capacité 14,5 kWh conso. 14,71 kWh/100 km selon sprimonitor, 3000 cycles cela nous donne 296 000 km potentiels,
2- Zoé : 26,6 kWh 16,68 kWh/100 km, 700 cycles (gestion thermique performante) -> 111 630 km potentiels,
3- batterie NCA 360 kWh 125 kWh/100 km, 500 cycles -> 144 000 km potentiels.
Dans le cas d’une voiture la valeur du cas 1 ne sert à rien par contre celle du cas 2 est faible (1,5 batteries nécessaires sur la durée de vie habituelle).
Dans le cas 3, pour cet usage valeur faible donc coût important à l’usage.

Posté le 24-01-2018 à 18:09:09 par VTTAE74

@Christophe
Merci pour votre réponse. Toutefois, je ne comprends pas 2 choses :
- Pourquoi vous prenez la valeur basse en cycles pour la C-zéro (3000) et haute (700) pour la Zoé. Qu’entendez-vous par "gestion thermique performante" ?
- Et aussi cela : "Dans le cas d’une voiture la valeur du cas 1 ne sert à rien par contre celle du cas 2 est faible (1,5 batteries nécessaires sur la durée de vie habituelle)".

Posté le 24-01-2018 à 18:34:32 par Christophe

@VTTAE74
Pour la C-zéro même en prenant la valeur basse, j’arrive à un kilométrage très élevé qui sera très certainement atteint par un nombre restreint de véhicules. De plus la charge rapide réduit le nombre de cycles bien que la technologie LTO est celle la plus tolérante aux fortes intensités.
C’est la technologie utilisée par Heuliez sur les bus articulés mais qui ne permet pas de faire la journée sur la batterie.

Pour la Zoé :
- gestion thermique performante avec air pulsé dans le sarcophage avec gestion thermique de cet air (réchauffage ou refroidissement en fonction des besoins) : https://i97.servimg.com/u/f97/17/67/16/75/15730210.jpg
- les modèles avec moteurs R ne chargent pas en rapide (charge à moins de 1C au maxi.) ne réduisant pas la cyclabilité.
Donc potentiellement pour une Zoé avec moteur de type Q ayant été chargée régulièrement en rapide, la batterie devrait être changée pour atteindre le kilométrage moyen admis pour la durée de vue d’une voiture (150 000 km).

Posté le 24-01-2018 à 19:27:44 par VTTAE74

@Christophe
Ok, je comprends mieux, merci pour votre pédagogie. Les C-zéro, comme citadines, ne sont à mon avis pas souvent rechargées en rapide. C’est peut-être une idée que je me fais.

Posté le 25-01-2018 à 10:35:15 par renophil

J’ai maintenant une expérience de presque 5 ans d’utilisation d’un véhicule électrique. Ma ZOE a 115000 km, je fais 65km par jour et la recharge tous les jours depuis 5 ans à 100% avec une borne de charge 11 kw. Le constat est que l’autonomie a peu chuté, environ 10%.Il faut savoir aussi que le véhicule adapte automatiquement la charge en fonction de la température extérieure, elle est réduite lorsqu’il fait chaud mais aussi lorsqu’il fait froid. Les batteries n’aiment pas la surchauffe et la pleine décharge, je veille donc à ne jamais les décharger complètement et ne charge jamais lorsqu’il fait trop chaud l’été (la charge se fait alors la nuit). On peut en conclure ques les batteries lithium-ion sont fiables.

Posté le 25-01-2018 à 13:31:57 par ZoéT

Voilà qui me rassure !

Posté le 25-01-2018 à 14:03:35 par scal

Quel usine à Gaz, je préfère rouler au GPL sans production de particules et de Nox

Posté le 25-01-2018 à 14:37:42 par @Posté le 25-01-2018 à 14:03:35 par scal

"je préfère rouler au GPL sans production de particules et de Nox"
Adac ecotest Dacia Logan MCV TCe 90 LPG Start Stop Laureaté (Autogasbetrieb)
HC: 31 mg/km
CO: 1588 mg/km
NOx: 28 mg/km
Partikelmasse: 1,0 mg/km
Partikelanzahl: 4,40634 10¹¹/km
"Quel usine à Gaz"

Et quel usine à GES.

Posté le 25-01-2018 à 16:41:46 par Christophe

@renophil
Donc Q210. Pour les 4 que j’ai eues entre les mains (location et autopartage), je ressors à une conso. moyenne de moins de 14 kWh/100 km sur des parcours routiers (sortie de 180 km en moyenne).
En 115 000 km, cela nous donne 605 cycles < 700.
Avec une R240 je suis à moins de 13,4 soit 580 cycles au même kilométrage.

Posté le 26-01-2018 à 04:09:58 par Electrodh

En règle générale, pour durer, les batteries LI-ion n’aiment pas les hautes t°C et rester chargées à haut voltage.
- Haute T°C : favorise les réactions parasites qui "phagocytes" les ions Li+
- Haut voltage : réaction parasite qui dégradent l’électrolyte.

Ensuite, il faut rentrer dans les subtilités de chaque type de Li-ion.
- LTO (i-Miev) : faible tension nominale 2,3V, grande stabilité chimique, très peu sensible la chaleur, c’est le champion de la durée de vie. Malheureusement la capacité volumique est très faible (Wh/L; Wh/kg). Donc impossible d’en faire des batteries de forte capacité pour VE
- LFP : tension nominale 3,2V, bonne stabilité chimique, capacité volumique moyenne. Durabilité très bonne.
- LMO (Leaf 1) et LMO/NMC (ZOE 22) : Bonne capacité volumique, forte tension nominale 3,7 V, mais sensibilité à la T°C. Notamment le Mg qui se dissout naturellement dans le temps dans l’électrolyte. Cette réaction parasite est accélérée par de fortes T°C (cf souci des Leaf au Nevada)
- NMC (ZOE 41 LEAF 2) : tension nominale 3,6V, forte capacité volumique, faible sensibilité à la chaleur.

Tout ça dépend grandement ensuite de la qualité d fabrication et du savoir-faire de chaque fabricant qui a ses secrets de fabrication, notamment aux niveaux des additifs qui permettent d’améliorer la durée de vie.

Enfin,les constructeurs font des validations poussées, plus sévères que l’usage moyen d’un VE pour s’assurer que la durée de vie contractée est assurée. Pour ZOE LEAF en LMO, c’est bien >700 cycles par ex.

Posté le 26-01-2018 à 18:15:15 par ZoéT

Sympa ces précisions.

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