Batterie lithium-ion pour voiture--Application de la batterie lithium-ion pour voiture

Quatre types d'applications pour les batteries automobiles au lithium-ion

Batteries automobiles au lithium-ion - Les applications des batteries au lithium-ion dans le domaine des véhicules à moteur se répartissent principalement en quatre types : ① véhicules électriques micro-hybrides (uHEV) ; ② véhicules électriques hybrides (HEV) ; ③ véhicules électriques hybrides rechargeables (PHEV);④véhicules électriques purs, y compris les véhicules électriques à autonomie étendue ou les véhicules électriques à pile à combustible.

Véhicules électriques micro-hybrides

Véhicules électriques hybrides

Les ventes de microhybrides ont augmenté de manière significative ces dernières années en raison de la réduction du dioxyde de carbone et des normes d'économie de carburant, avec plus de 50% des nouvelles voitures en Europe dotées d'une technologie liée aux microhybrides.Les véhicules électriques microhybrides sont essentiellement des systèmes externes de 12V et 48V. La plupart des systèmes 12V sont basés sur des batteries plomb-acide, mais ils évoluent progressivement vers des batteries de voiture lithium-ion, la plupart des modèles à vapeur ayant une capacité de 250Wh. Dans ces applications, où la batterie n'a pas d'autre fonction que l'arrêt et le démarrage, le système de batterie de voiture au lithium-ion de 48 V peut avoir plus de fonctions, la plupart du temps à 500Wh et 1000Wh.

La différence entre le 48-v et le Batterie lithium-ion 12 V Le véhicule électrique microhybride de 48 V dispose de l'énergie nécessaire au freinage par récupération, à l'alimentation électrique, aux compresseurs de climatisation et aux systèmes auxiliaires.

Il n'existe pas de normes systématiques pour les microhybrides, les concepteurs concevant des batteries de voiture lithium-ion en fonction des caractéristiques du véhicule ou de la taille de la batterie plomb-acide. Johnson Controls utilise des batteries standard de 48 V disponibles sur le marché comme batteries de démarrage et d'arrêt pour les voitures. L'entreprise n'a pas encore publié de données sur le système de batterie de ses voitures, mais d'après le processus de fabrication des cellules, on suppose que 13 cellules en série et en parallèle sont soit PL6P soit PL27P, avec des énergies de 288 Wh (48,1V&6Ah) et de 1,3 kWh (48,1V&27Ah).

Les voitures Mercedes Benz de la série Mercedes utilisent un système 12V, avec une batterie au plomb comme source d'alimentation. En Europe, des systèmes similaires sont utilisés pour cette série, notamment pour les modèles B, C, CLA, CLS, E, G, GL, GLA, GLK.M, S, SLA.SLK et SLS AMG.

Véhicule électrique hybride rechargeable et véhicule électrique à prolongateur d'autonomie

Les batteries de voiture au lithium-ion sont également largement utilisées dans les véhicules électriques hybrides. Les véhicules électriques hybrides sont divisés en deux types : les véhicules électriques hybrides légers et les véhicules électriques hybrides puissants. La tension de la batterie des véhicules électriques hybrides légers est faible, généralement de 110~250 V ; la tension de la batterie des véhicules électriques hybrides puissants est de 330-350 V. Les deux types de véhicules hybrides utilisaient des batteries à hydrure métallique de nickel dans leur première génération, mais ils évoluent progressivement vers des batteries de voiture au lithium-ion.

Gm a lancé la Chevrolet Malibu en 2010, alimentée par des batteries nickel-métal hydrure fabriquées par Cobasys et installées dans le coffre de la voiture avec une technologie de refroidissement par air de 36 V. Dans la deuxième génération, GE remplace la batterie nimH par une batterie de voiture lithium-ion, augmente la tension du système à 110 V, et offre plusieurs nouvelles fonctionnalités, notamment l'accélération et des capacités améliorées de freinage régénératif par capture.

Le meilleur exemple de véhicule électrique hybride solide est la Toyota Prius, qui est le véhicule électrique hybride le plus populaire et le plus dominant sur le marché actuel. La Prius n'est alimentée que par des batteries à hydrure métallique de nickel, et seule la Prius hybride rechargeable utilise des batteries de voiture au lithium-ion. La batterie à hydrure métallique de nickel de la Prius se compose de 168 cellules de 6,5 Ah assemblées en 28 modules, fournissant une tension de 201 V et une énergie de 1,3 KWH. Les voitures Toyota utilisent un système de refroidissement par air qui aspire l'air dans la batterie par l'intermédiaire d'un ventilateur intégré et l'évacue à l'autre extrémité.

La batterie de la Prius hybride pèse 42 kg et est montée sous la banquette arrière. Le tableau compare les batteries de différents véhicules électriques Prius hybrides et montre comment la conception réduit la tension de 288 V à 200 V en réduisant le nombre de cellules de 240 dans le module de première génération à 168 dans le module de quatrième génération. En outre, Toyota a remplacé la batterie cylindrique par une batterie carrée depuis la deuxième génération, qui a été maintenue jusqu'à ce jour. Face au succès de cette technologie, Toyota l'a baptisée "hybrid Co-drive", qui a été étendue à d'autres véhicules électriques et à d'autres marques.

Nous parlerons ensuite des véhicules électriques hybrides rechargeables. Bien que les véhicules hybrides rechargeables soient généralement considérés comme une forme transitoire de véhicules électriques purs, je pense personnellement qu'ils sont encore très importants. Dans les véhicules électriques hybrides rechargeables, les moteurs à combustion interne et les batteries sont installés en même temps, et l'énergie de la batterie est généralement comprise entre 7 et 16 kWh. L'inconvénient est qu'il contient deux groupes motopropulseurs, un système de batterie de voiture au lithium-ion et un moteur à combustion interne.

Le principe de base de cette technologie est que la batterie et son système d'alimentation assurent une conduite électrique complète de 16 à 64 km. Lorsque l'énergie de la batterie est épuisée, le moteur à combustion interne se met en marche et continue à fournir de l'énergie. À l'heure actuelle, le véhicule électrique hybride rechargeable n'est ni un pur moteur à combustion interne ni un pur véhicule électrique, tout comme le véhicule électrique hybride traditionnel. Cela permet également d'améliorer l'économie de carburant et d'offrir une autonomie comparable à celle d'une voiture à carburant.

Différents entreprises de batteries lithium-ion ont des idées différentes quant à la puissance de la batterie et à l'autonomie d'un véhicule hybride rechargeable. Certaines études ont conclu qu'environ 80 % des conducteurs américains parcourent moins de 64 kilomètres par jour pour se rendre au travail et en revenir, ce qui explique pourquoi les hybrides rechargeables ont augmenté leur autonomie à moins de 64 kilomètres. Toyota propose généralement une autonomie électrique plus courte, d'environ 16 km ; l'autonomie électrique conçue par GM est d'environ 64 km ; Ford a opté pour une autonomie électrique de 20 km. Les utilisateurs peuvent choisir différents types de voitures en fonction du kilométrage quotidien moyen.

Le véhicule électrique à autonomie étendue est très similaire au véhicule électrique hybride rechargeable. La principale différence réside dans le fait que les deux systèmes d'alimentation sont conçus en parallèle ou en série, ce qui sera examiné ici.

Le véhicule électrique hybride rechargeable adopte une configuration parallèle, le véhicule électrique est directement alimenté par le moteur à combustion interne ou la batterie lithium-ion de la voiture. Le véhicule électrique à autonomie étendue est construit en série. Le moteur à combustion interne n'est en fait pas directement connecté à la transmission, tout comme un générateur est utilisé pour alimenter le véhicule électrique. Lorsque la batterie est faible, le moteur est utilisé pour produire de l'électricité afin de charger la batterie et de fonctionner dans la plage de vitesse optimale, et la batterie fournit de l'énergie au moteur électrique qui entraîne directement le véhicule. Un véhicule à autonomie étendue est essentiellement un modèle de voiture électrique, mais avec un moteur et un générateur supplémentaires.

Voici quelques exemples de véhicules électriques à autonomie étendue. La Toyota prius plug-in utilise une batterie lithium-ion de 4,4 kWh, fournie par Prime Earth Electric Vehicle, une coentreprise entre Toyota et Panasonic, qui offre une autonomie de 16 à 24 km, en fonction de la stabilité, du style de conduite et d'autres facteurs. La batterie étant relativement petite, elle peut être rechargée rapidement, en 90 minutes seulement pour un chargeur de 240 V et en 3 heures pour un chargeur de 120 V. La batterie pèse environ 80 kg et peut être rechargée en quelques minutes. La batterie pèse environ 80 kg et est installée dans le coffre. Selon l'institut de défense de l'environnement, la prius plug-in parcourt 40 kilomètres par litre d'essence et consomme environ 29 kWh pour 160 kilomètres.

Aux États-Unis, Ford Motor Company a utilisé la même technologie de batterie lithium-ion pour alimenter un autre type de voiture électrique. La première a été le véhicule électrique rechargeable Ford C-Max Energi, suivi de la Ford Fusion Energi, dont la sortie est prévue en 2012 (l'Escape de troisième génération a été la première vente mensuelle de SUV aux États-Unis depuis son lancement en 2012). Pour maintenir le prix des batteries à un niveau bas, Ford a essayé d'utiliser le même système de batterie autant que possible. Les auteurs confirment ce fait lors de réunions avec l'équipe de Ford. Ainsi, la part de marché des véhicules électriques de la gamme Ford est plus élevée et les coûts des batteries sont réduits plus rapidement.

Les véhicules hybrides rechargeables Ford C-Max Energi et Fusion Energi sont alimentés par une batterie Panasonic de 7,6 kWh, avec une autonomie d'environ 32 km, une autonomie d'environ 37 km par litre d'essence, et une consommation de 160 km d'environ 37 kWh. Dans le système du C-MAX, la batterie lithium-ion est montée dans le coffre, avec un système de refroidissement de l'air et un ventilateur comme dispositif de transport de l'air, qui est évacué du haut de la batterie lithium-ion vers les côtés. Le principal problème des dispositifs de Ford utilisant exactement le même bloc-batterie est que la batterie n'est pas assemblée spécifiquement pour chaque véhicule, de sorte que l'assemblage n'est pas nécessairement adapté à toutes les applications.

Le meilleur exemple de véhicule électrique à autonomie étendue est la Chevrolet Volt de General Motors Co. Associée à une batterie lithium-ion LG chem de 16,5 kWh et à un petit moteur à combustion interne, la Volt a une autonomie d'environ 60 km, une autonomie d'environ 35 km par litre d'essence et une consommation d'énergie d'environ 35 kWh sur 160 km.

La batterie lithium-ion de la Volt est montée sous la voiture, en forme de T, au niveau de l'arbre de transmission avant et du réservoir de carburant. Le refroidissement par liquide permet à la batterie de fonctionner à une température adéquate sans surchauffe ni refroidissement. La batterie de la Volt, appelée "Voltec", se compose de 288 cellules lithium-ion flexibles réparties en quatre modules. Chaque cellule est isolée par un anneau en plastique d'un côté et un radiateur en aluminium de l'autre.

La cosse de l'électrode de la cellule est connectée au sommet du module en série ou en parallèle. La batterie Voltec possède un dispositif d'interruption au milieu et peut être commandée depuis l'habitacle. Pour contrôler la température de la chaîne de batteries, la chaîne de batteries de voiture au lithium-ion est enveloppée d'un matériau d'isolation thermique.

Véhicules purement électriques

À l'heure actuelle, la marque la plus connue de véhicules électriques purs sur le marché est Tesla. Le premier modèle est le Roadster, et la deuxième génération de voitures de tourisme Model-S a été développée ultérieurement. Les voitures électriques pures se distinguent des hybrides par le fait qu'elles sont alimentées par des batteries et n'ont pas de moteur à combustion interne.

En ce qui concerne le système de batterie, Tesla est complètement différent des autres fabricants. Au lieu d'essayer de résoudre le problème de la sécurité et de réduire la complexité du bloc-batterie du point de vue de la cellule de la batterie, elle adopte la cellule standard 18650 à colonne lithium-ion qui a été produite en masse. Il s'agit de la cellule lithium-ion ayant la plus grande maturité technologique à ce jour, et son coût est facilement accepté par les consommateurs. Mais en même temps, la batterie de voiture au lithium-ion est le facteur de coût le plus important, puisqu'une batterie de 80 kWh contient environ 7 000 cellules ; il est donc extrêmement important de contrôler le coût de la batterie.

Dans le Roadster, la batterie lithium-ion de Tesla utilise un total de 6 831 18 650 cellules. Chaque cellule est assemblée en une "brique", 9 briques sont connectées en série pour former une "feuille", et 11 feuilles sont connectées en série pour former une batterie de voiture au lithium-ion.

Tesla affirme avoir mis au point un bloc-batterie capable d'empêcher la propagation des accidents d'emballement thermique, mais n'a pas divulgué le processus exact. Toutefois, un certain nombre d'accidents survenus ces dernières années ont jeté le doute sur la fiabilité de ces procédés. La Tesla Roadster utilise un système de refroidissement liquide pour contrôler en permanence la température de sa batterie, qui est installée sur la banquette arrière de la voiture et stockée dans le coffre.

La batterie lithium-ion Moder-S de Tesla est portée à 85 kWh et utilise 7 104 18 650 cellules. Contrairement à la première génération, la deuxième génération de batterie est extrêmement plate. Cette batterie lithium-ion ne mesure que 15 cm de haut et est montée sur le bas de la voiture, avec une large portée de l'essieu arrière à l'essieu avant et du côté gauche au côté droit de la voiture. Le Roadster n'a pas fourni de source de batterie, et la Model-S utilise la cellule NCA18650 de Panasonic, qui possède deux systèmes de 60 kWh et 85 kWh.

Renault-nissan présente une variété de véhicules électriques purs, dont le plus célèbre et le plus vendu est la Nissan Leaf. La Leaf utilise une batterie lithium-ion de 24 kWh fournie par Automotive Energy Supply (AESC), une coentreprise entre Nissan et NEC. Le pack se compose de 192 cellules en pochettes dans un module de quatre, deux en série et deux en parallèle.

Les modules sont empilés, chaque module est scellé individuellement et la chaleur est transférée du noyau à la couche extérieure métallique du module à la couche extérieure du bloc-batterie à l'aide d'un système de gestion thermique passif. Le système de gestion de la batterie de la Leaf est géré de manière centralisée, avec une seule unité de contrôle reliée à chaque module par un faisceau de câbles. La batterie lithium-ion de la voiture est montée sur le fond de la voiture, avec un joint intégral conçu pour empêcher la poussière et les liquides de pénétrer.

Renault, la société sœur de Nissan pour la Leaf, a lancé un certain nombre de véhicules purement électriques, dont la Renault Twizy, une petite voiture urbaine à deux places alimentée par une batterie lithium-ion de 6,1 kWh ; la Renault Zoe, une berline quatre portes de taille moyenne, est alimentée par une batterie lithium-ion de 22 kW/h. La Renault Zoé est une voiture à deux places alimentée par une batterie lithium-ion de 6,1 kWh ;

Le Renault Kangoo Van, alimenté par une batterie lithium-ion de 22 kWh, est l'une des caractéristiques les plus intéressantes des voitures électriques Renault, qui bénéficient du service d'échange de batteries de Renault, lequel permet aux consommateurs de remplacer les batteries épuisées par des neuves dans les stations-service Renault Quickdrop. Au départ, toutes les voitures électriques Nissan et Renault utilisaient des batteries AESC, mais la recherche d'un nouveau fournisseur de batteries a récemment permis d'en réduire le prix.

Ford a mis sur le marché un véhicule purement électrique appelé Focus, qui a été converti à l'origine d'un système de moteur à combustion interne à un système électrique pur Magna E-Car. Son système d'alimentation par batterie lithium-ion à refroidissement liquide de 23 kWh a été intégré en remplaçant le moteur à combustion interne par un entraînement électrique au moyen d'une batterie à refroidissement liquide de 23 kWh conçue par LG Chem.

Ce système de batterie de conception inhabituelle se présente sous la forme de deux boîtiers distincts. Le premier est installé sous la banquette arrière et le second dans le coffre. Le système de gestion thermique à refroidissement liquide garantit que les températures des deux chaînes de batteries sont presque identiques. En outre, l'utilisation d'un système à refroidissement liquide permet de maintenir la batterie à la bonne température en hiver comme en été.
Gm a également lancé une petite voiture entièrement électrique, la Chevrolet Spark, qui était à l'origine alimentée par un pack de batteries lithium-fer-phosphate de 21,3 kWh de A123, mais dans son modèle 2014, l'assemblage de la batterie a été entièrement réassemblé par l'usine américaine de LG Chem.

L'assemblage des batteries est également effectué "quasiment en interne" dans une usine d'assemblage construite par GENERAL Motors à côté de la batterie de la Volt, dans le quartier de Brownstone. Les nouvelles batteries lithium-ion pour voitures ont une capacité légèrement inférieure, de l'ordre de 19 kWh, mais elles répondent toutes deux à l'exigence d'avoir la même autonomie que la batterie d'origine. Ce changement permet à GE de généraliser la conception des cellules et des modules afin de réduire le coût des batteries. Bien que l'électricité et le système de contrôle de la batterie soient identiques, le processus d'assemblage du bloc-batterie a été entièrement repensé afin d'assembler la batterie au sein de Spark. La batterie lithium-ion pour voiture est installée sous le véhicule, par exemple sous le siège arrière et dans le coffre.

Véhicules électriques à pile à combustible

Les piles à combustible sont un autre élément susceptible de changer la donne dans le secteur de la production d'énergie et des transports. Les piles à combustible utilisent une membrane électrolytique polymère (membrane d'échange de protons) et utilisent l'hydrogène comme source de combustible ainsi que l'oxygène de l'air pour produire de l'électricité. Il s'agit en fait de générateurs, mais ils nécessitent généralement une réserve d'énergie de charge relativement faible pour assurer un approvisionnement constant en électricité, ce qui rend les FCV électriques. L'intégration de systèmes de stockage d'énergie grâce à l'utilisation de piles à combustible permet de réduire la taille des réservoirs de stockage d'hydrogène en ajoutant des batteries plus grandes. La batterie de voiture au lithium-ion permet également au véhicule de compenser l'énergie du freinage par récupération.

La plupart des constructeurs automobiles travaillent déjà sur des véhicules à pile à combustible. Honda a dévoilé la Honda FCX Clarity, une voiture à pile à combustible qui intègre une batterie lithium-ion de 288V. De même, Hyundai a dévoilé le véhicule à pile à combustible Tuscon, qui intègre une batterie lithium-ion de 188V. General Motors a introduit la dernière technologie de pile à combustible et a prévu de réaliser une production de masse, tandis que Toyota, BMW, mercedes-benz, Mazda, fiat, audi, nissan et Volkswagen ont tous commencé à développer des véhicules à pile à combustible.

Les piles à combustible sont également utilisées dans le domaine du stockage de l'énergie à grande échelle et jouent même un rôle important dans le développement de certains pays ou régions. Au Japon, les petites piles à combustible sont souvent utilisées comme sources d'énergie de secours pour les ménages.
Bien que de nombreux fabricants développent des piles à combustible, il faudra peut-être attendre un certain temps avant qu'elles ne soient prêtes à être utilisées à grande échelle. La technologie des piles à combustible se développe rapidement. Le principal problème de l'application industrielle est de savoir comment construire l'infrastructure d'approvisionnement en oxygène. Ce n'est que lorsque l'approvisionnement en énergie sous forme d'hydrogène sera bien développé que les piles à combustible pourront attirer l'attention des gens pour des applications pratiques.

Toutes les batteries mentionnées ci-dessus sont des batteries de puissance relativement importante pour les voitures. Dans un large éventail de scénarios d'application, les batteries lithium-ion sont souvent utilisées comme batteries de voiturettes de golf pour alimenter les véhicules légers.