Tout ce que vous voulez savoir sur les batteries de véhicules électriques

La vitesse, le kilométrage, le couple et tous ces paramètres vitaux d'une voiture électrique dépendent uniquement des spécifications du moteur et de la batterie utilisée dans la voiture. Bien que l'utilisation d'un moteur puissant ne soit pas un problème, le problème réside dans la conception d'un bloc-batterie qui pourrait fournir suffisamment de courant pour le moteur pendant une longue période sans dégrader sa durée de vie. Pour faire face à la tension et à la demande de courant, les fabricants de véhicules électriques doivent combiner des centaines, voire des milliers de cellules pour former un bloc-batterie pour une seule voiture. Pour donner une idée, le modèle Tesla S a environ 7 104 cellules et la feuille de Nissan a environ 600 cellules. Ce grand nombre ainsi que la nature instable des cellules au lithium rendent difficile la conception d'un bloc-batterie pour une voiture électrique. Dans cet article, explorons comment une batterie de véhicule électrique est conçue pour un véhicule électrique.et quels sont les paramètres vitaux associés aux batteries dont il faut tenir compte.

Que contient un bloc-batterie pour véhicule électrique?

Si vous avez lu l'article Introduction au véhicule électrique, vous auriez déjà répondu à la question. Pour les gens qui sont nouveaux, permettez-moi de vous remettre rapidement en question. L'image ci-dessous montre la batterie de Nissan Leaf en train d'être déchirée au niveau de la cellule de son pack.

Les voitures électriques modernes utilisent des batteries au lithium pour alimenter leurs voitures pour des raisons évidentes dont nous parlerons plus loin dans cet article. Mais, ces batteries au lithium ont seulement environ 3,7 V par cellule alors une voiture EV nécessite quelque part près de 300V. Pour atteindre une telle tension élevée et une cote Ah, les cellules au lithium sont combinées en série et en parallèle pour former des modules et ces modules ainsi que certains circuits de protection (BMS) et le système de refroidissement sont disposés dans un boîtier mécanique appelé collectivement comme un bloc de batterie, comme indiqué ci-dessus.

Types de piles

Bien que la plupart des voitures utilisent des batteries au lithium, nous ne sommes pas seulement limités à cela. Il existe de nombreux types de chimie de batterie disponibles. En gros, les batteries peuvent être classées en trois types.

Batteries primaires: ce sont des batteries non rechargeables. C'est-à-dire qu'il peut convertir l'énergie chimique en énergie électrique et non l'inverse. Un exemple serait les piles alcalines (AA, AAA) utilisées pour les jouets et les télécommandes.

Batteries secondaires: Ce sont les batteries qui nous intéressent pour les véhicules électriques. Il peut convertir l'énergie chimique en énergie électrique pour alimenter le VE et il peut également convertir l'énergie électrique en énergie chimique pendant le processus de charge. Ces batteries sont couramment utilisées dans les téléphones mobiles, les véhicules électriques et la plupart des autres appareils électroniques portables.

Batteries de réserve: Ce sont des types spéciaux de batteries utilisées dans une application très unique. Comme son nom l'indique, les batteries sont conservées en réserve (veille) pendant la majeure partie de leur durée de vie et ont donc un taux d'auto-décharge très faible. Un exemple serait les batteries de gilet de sauvetage.

Chimie de base d'une batterie

Comme indiqué précédemment, il existe de nombreuses chimies différentes disponibles pour les batteries. Chaque chimie a ses avantages et ses inconvénients. Mais quel que soit le type de chimie, il y a peu de choses qui sont communes à toutes les batteries, jetons-y un coup d'œil sans trop entrer dans sa chimie.

Il y a trois couches principales dans une batterie: la cathode, l'anode et le séparateur. La cathode est la couche positive de la batterie et l'anode est la couche négative de la batterie. Lorsqu'une charge est connectée aux bornes de la batterie, le courant (électrons) circule de l'anode à la cathode. De même, lorsqu'un chargeur est connecté aux bornes de la batterie, le flux d'électrons est inversé, c'est-à-dire de la cathode à l'anode, comme indiqué sur la figure ci-dessus.

Pour toute batterie pour travailler une réaction chimique appelée réaction d' oxydoréduction devrait avoir lieu. Parfois aussi appelé réaction redox. Cette réaction a lieu entre l'anode et la cathode de la batterie à travers l'électrolyte (séparateur). Le côté anode de la batterie sera prêt à gagner des électrons et, par conséquent, une réaction d'oxydation se produira et le côté cathode de la batterie sera prêt à perdre des électrons et, par conséquent, une réaction de réduction se produira. En raison de cette réaction, les ions sont transférés de la cathode au côté anode de la batterie à travers le séparateur. En conséquence, il y aura plus d'ions accumulés dans l'anode. Pour neutraliser cette anode doit pousser les électrons de son côté à la cathode.

Mais le séparateur ne permet que le flux d'ions à travers lui et bloque tout mouvement d'électrons de l'anode à la cathode. Donc, la seule façon dont la batterie peut transférer les électrons est à travers ses bornes externes, c'est pourquoi lorsque nous connectons une charge aux bornes de la batterie, nous obtenons un courant (électrons) qui circule.

Principes de base de la chimie des batteries au lithium

Puisque nous allons discuter des batteries au lithium, car elles sont la batterie la plus préférée pour les véhicules électriques, approfondissons un peu plus sa chimie. Il existe de nombreux types de batteries au lithium, le lithium nickel cobalt aluminium (NCA), le lithium-nickel manganèse cobalt (NMC), le spinelle lithium-manganèse (LMO), le titanate de lithium (LTO), le phosphate de lithium-fer (LFP) sont les plus les plus communs. Encore une fois, chaque chimie a ses propres caractéristiques qui illustrent parfaitement le vacarme ci-dessous par le groupe Boston Consulting.

Parmi ceux-ci, le lithium nickel cobalt aluminium est le plus utilisé en raison de son faible coût. Nous aborderons plus en détail ces paramètres plus loin dans cet article. Mais une chose commune que vous pouvez remarquer ici est que le lithium est présent dans toutes les batteries. Ceci est principalement dû à la configuration électronique du lithium. Un atome de lithium métallique neutre est illustré ci-dessous.

Il a un numéro atomique de trois, ce qui signifie que trois électrons seront autour de sa nucléase et la coque la plus externe n'a qu'un seul électron de valence. Pendant la réaction, cet électron de valance est extrait, ce qui nous donne un électron et un ion lithium avec deux électrons formant un ion lithium. Comme indiqué précédemment, l'électron circulera sous forme de courant à travers les bornes externes de la batterie et l'ion lithium traversera l'électrolyte (séparateur) pendant la réaction redox.

Principes de base des batteries de véhicules électriques

Nous savons maintenant comment fonctionne une batterie et comment elle est utilisée dans un véhicule électrique, mais pour procéder à partir de là, nous devons comprendre certaines terminologies de base couramment utilisées lors de la conception d'une batterie. Parlons-en…

Tension nominale: Deux valeurs très courantes que vous pouvez trouver sur une batterie sont sa tension nominale et sa valeur Ah. Les batteries au plomb sont généralement de 12 V et les batteries au lithium de 3,7 V. C'est ce qu'on appelle la tension nominale d'une batterie. Cela ne signifie pas que la batterie fournira 3,7 V sur ses bornes tout le temps. La valeur de la tension varie en fonction de la capacité de la batterie. Nous discuterons