Johnson Matthey Battery Systems : Tendances actuelles et à venir en e

Une batterie fait partie intégrante de tout vélo électrique, aidant à déterminer l'autonomie, les performances et la durabilité. Dans cet article, nous examinerons certaines des tendances actuelles et à venir en matière de batteries pour vélos électriques.

Les cellules les plus populaires utilisées dans les batteries de vélo électrique sont les facteurs de forme 18650 et 21700 avec la chimie NMC. De plus en plus de batteries utilisent des cellules de plus grande taille, pour quelques raisons importantes. Le principal d'entre eux est le fait qu'il faut moins de cellules pour atteindre la capacité souhaitée. Pour atteindre une capacité de près de 10 Ah dans le 18650, trois cellules connectées en parallèle sont nécessaires, tandis que le 21700 nécessitera deux cellules. La différence de masse n'est pas négligeable - le poids du 18650 en configuration 10S3P est d'environ 1,5 kg, tandis que le 21700 dans la même configuration est plus léger d'environ 0,1 kg. Dans une batterie avec une tension plus élevée, la différence est plus grande.

De plus, la plus grande capacité nominale théorique pour le facteur de forme 18650 est de 3,5 Ah, tandis que pour le 21700, elle est de 5,0 Ah. De nos jours, la densité d'énergie gravimétrique maximale pour la chimie NMC est de 250-260 Wh/kg. Des cellules de plus grande capacité ont été annoncées, mais uniquement au format 21700. L'objectif est d'atteindre 5,5-5,65 Ah, et peut-être même jusqu'à 6 Ah, ce qui permettra l'extension de la capacité totale de la batterie ou des cycles, après réduction de la plage de tension. Actuellement, les fournisseurs cherchent à utiliser de nouveaux éléments dans les cellules, comme le silicium, pour atteindre une plus grande capacité, ainsi que le sodium pour optimiser les coûts.

Chaque pièce mécanique ajoute au poids et à la taille d'une batterie. Les batteries intégrées, qui sont cachées dans le cadre, ont très souvent une construction de module de bloc. Un bloc contient des supports de cellule supérieur et inférieur et 4 à 10 cellules connectées dans la configuration appropriée et des connecteurs avec des bornes pour se connecter à la section suivante. Il y a généralement aussi une isolation, des barres omnibus ou des fils supplémentaires, qui provoquent des points chauds et une chute de tension.

Le placement des cellules transversalement à l'axe le plus long ne nécessite que deux porte-cellules, le courant ne circulant que dans les connecteurs de cellule. Des BMS supplémentaires peuvent être montés sur un côté du corepack avec un accès facile à chaque point de tension, garantissant que les jeux de câbles ne sont pas nécessaires. La batterie est plus légère car elle contient moins de composants, et l'assemblage est plus facile et plus rapide.

Le boîtier a également une influence significative sur le poids. Actuellement, les matériaux les plus utilisés sont l'aluminium et le plastique. Mais l'utilisation de fibre de carbone devrait diminuer la masse de la batterie, bien que cela augmente le coût de la construction.

Actuellement, la réglementation européenne tend à rendre les batteries plus réparables et à leur assurer une longue durée de vie, afin de réduire l'impact environnemental. Par conséquent, les batteries neuves sont susceptibles d'être plus faciles à réparer par des tiers.

De nos jours, les systèmes de gestion de batterie sont des dispositifs plus complexes avec diverses fonctions. Presque tous les BMS des batteries de vélos électriques contiennent des fonctions telles que :

De plus, les BMS sont désormais plus sûrs que jamais. Ils sont équipés d'une double protection et contiennent des éléments tels que l'analyse des modes de défaillance et de leurs effets (FMEA) et l'analyse fonctionnelle de sécurité.

L'année prochaine, les normes de sécurité pour les batteries lithium-ion seront étendues. Par exemple, il pourrait y avoir un capteur de gaz monté sur le BMS pour détecter une rupture potentielle de cellule, ou un accéléromètre pour éteindre les sorties de la batterie en cas d'accident.

De plus, nous verrons probablement bientôt l'utilisation de technologies intelligentes, telles que la connectivité Bluetooth, ainsi que le cryptage des communications de bout en bout pour plus de sécurité. Les modes intelligents pourraient également être utilisés pour prolonger la durée de vie de la batterie, en limitant le SoC et la puissance maximale, par exemple. Les changements apportés à la réglementation européenne sont presque certains d'imposer également d'autres changements, tels que l'accès ouvert à des tiers à certaines informations du BMS.

Les fabricants de chargeurs ont ajouté de nouvelles fonctionnalités à leurs solutions prêtes à l'emploi ces dernières années. Actuellement, la batterie et le chargeur communiquent via un bus supplémentaire. Cela augmente la sécurité, car les paramètres critiques tels que la tension et le courant sont mesurés par les deux parties du système et peuvent être comparés les uns aux autres. Si la différence est significative, la charge est arrêtée car une panne est présumée. Un chargeur intelligent peut charger à une tension limitée pour prolonger le cycle de vie. Si nous voulons stocker une batterie pendant une longue période sans l'utiliser, il est possible de charger la batterie à 50-60% de SoC pour réduire la dégradation naturelle des cellules.

La charge rapide est une tendance, grâce à l'augmentation du courant de charge maximum. Auparavant, il s'agissait généralement de 0,5 C, mais il est maintenant plus proche de 1 C, ce qui permet un temps de charge plus rapide. Mais une charge rapide diminue la durée de vie d'une batterie, ce qui signifie qu'un compromis est nécessaire. Par exemple, le courant maximum pourrait être utilisé pour atteindre 80%, avant de passer ensuite au courant standard.

Les batteries de vélo électrique peuvent être divisées en quatre groupes :

Les batteries à faible consommation d'énergie sont généralement minces et légères, et elles sont presque invisibles lorsqu'elles sont intégrées à la conception d'un vélo électrique. Le système fonctionne souvent avec un prolongateur d'autonomie. Une unité d'entraînement doit avoir des limitations de puissance car la tension de la batterie chutera sous charge (les informations sur le SoP sont cruciales).

Des batteries à haute énergie sont utilisées pour assurer une longue autonomie et une réserve de courant pour surcharger le moteur. En règle générale, ceux-ci sont montés sur des vélos tout-terrain où la puissance est essentielle. Ces batteries doivent être chargées avec un chargeur à courant élevé pour obtenir un temps de charge raisonnable. C'est le type de batterie le plus cher. Une nouvelle tendance pour les batteries de ce type consiste à configurer une batterie de manière à ce qu'elle ait l'air mince sur le côté, mais qu'elle soit plus large et plus longue pour maintenir une capacité élevée.

Les batteries de moyenne énergie sont un compromis entre la taille, l'énergie et le prix. Le marché est actuellement saturé de batteries à moyenne énergie, les fabricants recherchent donc des opportunités pour innover, pour se différencier de leurs concurrents. Mais actuellement, la plupart des nouvelles tendances se concentrent sur les deux autres types de batteries.

La chimie LFP offre une durée de vie plus longue que la chimie NMC, en plus elle est durable. Cela en fait la chimie appropriée pour les vélos cargo, car ils sont destinés au travail, pas aux loisirs. De plus, ils offrent une sécurité accrue par rapport à la chimie LFP. En revanche, la densité d'énergie et la tension nominale sont toutes deux plus faibles, ce qui signifie que la batterie doit être plus grande et plus lourde.

L'objectif pour les industriels est de développer des cellules LFP avec une densité d'énergie similaire aux cellules NMC. Cela leur permettra d'être utilisés pour de plus en plus d'applications, y compris, à un moment donné, les vélos électriques standard utilisés pour les loisirs.

Cet article est sponsorisé par Johnson Matthey Battery Systems.