Réservoir d’énergie, la batterie doit, sur les Vélos à Assistance Électrique, répondre à plusieurs exigences souvent contradictoires :
- Capacité maximale pour autoriser une autonomie confortable
- Masse et encombrement les plus faibles possible
- Résistance aux aléas de l’utilisation courante
- Simplicité d’emploi et d’entretien
- Sécurité totale, tant en utilisation qu’en recharge ou en stockage
- Longévité importante
-
Coût modeste
Les technologies
(source Wikipédia)
Batteries Ni-Cad
Ni-Cad (Nickel-Cadmium): Elles souffrent d’un effet mémoire, c’est à dire qu’il faut décharger presque complètement la batterie pour pouvoir la recharger complètement. Si l’on charge une batterie ayant encore 25% de charge, notre batterie n’offrira que 75% de sa capacité. Les batteries NiCad se conservent déchargées.
On rencontre ce type de batteries en modélisme, dans les caméscopes ou les baladeurs. Le cadmium est un métal lourd très polluant, elles sont donc en voie de disparition, remplacées par les Lithium.
Batteries NiMh
Ni-mh (Nickel / Métal Hydrure): Voisines des batteries NiCad, les batteries NiMh stockent plus de puissance à volume égal. Bien entendu, le prix est plus élevé, mais elles souffrent moins de l’effet mémoire.
- Cycles : environ 500 (perte 20%) à 1000 (perte 40%)
- Tension nominale (par élément): 1,2 volts.
- Tension mini à ne pas dépasser : 0,8 volt.
- Tension maxi (après charge): 1,4 volts
- Courant de charge maxi : 0,5 C (soit 2 heures)
Batteries Lithium
Lithium-ion
La batterie lithium-ion fonctionne sur le principe de l’échange réversible de l’ion lithium entre une électrode positive, le plus souvent un oxyde de métal de transition lithié (dioxyde de cobalt ou manganèse) et une électrode négative en graphite (sphère MCMB). L’emploi d’un électrolyte aprotique (un sel LiPF6 dissous dans un mélange de carbonate) est obligatoire pour éviter de dégrader les électrodes très réactives.
La tension nominale d’un élément Li-Ion est de 3,6 V ou 3,7 V.
On rencontre dans ce type de batterie les : Li (NiCo) O2 ; Li (NiMn) et les Li (NiCoMn) O2
Lithium-ion polymère (Li-Po)
L’électrolyte est un polymère gélifié. L’accumulateur Li-Po utilise un principe de fonctionnement semblable aux accumulateurs Li-ion et a des caractéristiques proches.
Avantages des Li-Po
Faiblesse des Li-Po
- Densité énergétique plus faible que les Li-ion.
- Plus cher que le Li-ion.
- Charge soumise à des règles strictes sous peine de risque d’inflammation.
-
Moins de cycles de vie.
La tension d’un élément Li-Po est de 3,7 V. Plusieurs éléments sont généralement assemblés en « Packs ». Les tensions sont alors additionnées dans le cas d’un assemblage en série (3,7 V; 7,4 V; 11,1 V; etc.). Les capacités (mesurées en mAh) des éléments sont additionnées dans le cas d’un assemblage en parallèle. Des accumulateurs lithium-polymère sont couramment utilisées pour la fourniture d’énergie aux modèles réduits (voiture, avion, drone, …). Elles sont aussi de plus en plus utilisées pour les vélos à assistance électrique, avec couramment une tension de 24 V.
Les systèmes électroniques de surveillance (BMS et PCM) sont nécessaires pour un emploi de sécurisé de ces batteries
Lithium-phosphate (LiFePo4 ou LFP)
Cette version, récente, a une tension un peu plus faible (~3,3 V) mais se veut plus sûre, moins toxique et d’un coût moins élevé. En effet, le prix des piles et batteries au lithium-ion provient en grande partie des matériaux utilisés à la cathode, qui contient du cobalt et/ou du nickel, métaux très chers et rendant plus délicat le multi-sourcing. Dans un accumulateur Lithium à technique phosphate, les cathodes standard sont remplacées par le phosphate de fer , matériau peu cher, car ne contenant pas de métaux rares, et de plus non toxiques contrairement au cobalt. En outre, cette cathode est très stable et ne relâche pas d’oxygène (responsable des explosions et feux des accumulateurs Li-ion) la rendant plus sûre.
Comme les batteries LiPo, ce type de batteries requiert l’utilisation de BMS (Battery Manager System).
Lithium Métal Polymère (LMP)
Elle se présente sous la forme d’un film mince enroulé. Ce film, d’une épaisseur de l’ordre d’une centaine de micromètres, est composé de 5 couches8 :
Caractéristiques
La densité massique est de 260 Wh/kg2 soit près de 7 fois plus d’énergie que les batteries au plomb (~40 Wh/kg)10. Il n’y a pas d’effet mémoire, on n’a donc pas besoin de vider complètement l’accumulateur avant de le recharger. La durée de vie annoncée des batteries utilisant cette technique est de l’ordre de dix ans. Entièrement solide (pas de risque d’explosion) avec une Faible auto-décharge, elles ne contiennent pas de polluant majeur dans sa composition (sauf si utilisation d’oxyde de vanadium)
Schéma comparatif
Mon choix
Pour des raisons de sécurité, pour le bénéfice environnemental, et pour être dans la logique de l’épreuve, le choix se portera sur les batteries LFP. L’intérêt des batteries LFP est qu’elles sont d’une « très grande sécurité », notamment grâce à la stabilité des phases LiFePO4 qui est assurée jusqu’à 70°C. Autre atout, de taille, ces batteries ne peuvent pas prendre feu ou exploser en cas de surcharge. Elles supportent plus de 2 000 cycles de décharge et être laissées dans un état partiellement déchargé pendant de longues périodes sans causer de dommages permanents.
Question écologie, le Cobalt (rare et toxique) est remplacé par du phosphate de fer moins nocif pour l’environnement. Celles-ci ne contiennent pas de métaux lourds toxiques comme le plomb, le cadmium, ou autres acides corrosifs, et contribuent à rendre les véhicules électriques encore plus respectueux de l’environnement.
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