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Des batteries haute performance pour propulser les deux-roues électriques

Des batteries haute performance pour propulser les deux-roues électriques

Le mythe urbain selon lequel les deux-roues à moteur thermique respectent l’environnement est erroné. A l’instar de la voiture, le deux-roues doit passer à l’électrique mais cela impose certains défis à relever pour que les deux-roues électriques gagnent en popularité, en particulier au niveau de leur batterie. Mais des solutions existent…

Par Raymond Ye, responsable commercial de Poweramp, une société d’Amperex Technology, elle-même propriété du groupe TDK, article adapté par Pascal Coutance

L’utilisation de deux-roues est en pleine croissance au niveau mondial. Les villes et les métropoles bourdonnent de toutes leurs allées et venues pour livrer des plats commandés en ligne ou d’autres choses. Les deux-roues devraient aussi jouer un rôle sur le « dernier kilomètre » dans le cadre de la mobilité sous forme de service, qui, par le biais d’un canal numérique, permet au grand public de planifier, réserver et payer différents types de services de mobilité. L’idée est d’abandonner les moyens de transport détenus en propre, au profit d’une mobilité fournie en tant que service.

Les deux-roues à essence respectent-ils l’environnement ?
On pourrait supposer qu’étant donné que les motos et les cyclomoteurs sont plus économes en carburant que les voitures, leurs performances environnementales sont bien meilleures. En pratique, de nombreuses personnes ont vendu leur voiture et conduisent désormais des deux-roues, en pensant que c’est un choix plus respectueux de l’environnement. Toutefois, ce raisonnement est erroné : les deux-roues ne sont guère meilleurs que les voitures.

Ce n’est que relativement récemment que les normes environnementales s’appliquent aux véhicules de la catégorie L, tels que motos, cyclomoteurs, quads et autres trikes (tricycles motorisés à roues arrière symétriques). Toutefois, depuis l’introduction de la norme Euro 1 pour les deux-roues en 1999, les émissions combinées d’hydrocarbures (HC) et d’oxydes d’azote (NOx) ont diminué de 96,6%, tandis que les émissions de monoxyde de carbone (CO) ont baissé de 92,3%. Plus surprenant, la version la plus récente de la norme, Euro 5, entrée en vigueur au 1er janvier 2021, ne limite les émissions de gaz d’échappement des deux-roues qu’au même niveau que celles des voitures Euro 6.

Prévisions du marché mondial des deux-roues électriques
Face à l’inquiétude croissante suscitée par le changement climatique et au durcissement des limites d’émission de gaz d’échappement, les fabricants de deux-roues évitent de plus en plus les moteurs thermiques et, comme dans l’automobile, optent pour des groupes motopropulseurs électriques. Le marché mondial des motos et scooters électriques a dépassé les 30 milliards de dollars en 2020, et devrait connaître un taux de croissance annuelle composé d’environ 4% entre 2021 et 2027. Et en volume, la croissance devrait être encore plus forte (plus de 10% par an en moyenne), avec un marché qui atteindrait 1,7 million d’unités à l’horizon 2025, comme illustré en Figure 1.

Figure 1 – En volume, le marché mondial des motos et scooters électriques devrait connaître une croissance de plus de 10% par an en moyenne entre 2020 et 2025. Crédit: Yano Research Institute, février 2019

Cependant, l’adoption à grande échelle des deux-roues électriques nécessite de surmonter une pléthore d’obstacles techniques, notamment l’extension de l’autonomie et la réduction du temps de recharge, ainsi que le développement d’infrastructures de recharge. Des progrès dans la technologie des batteries sont également indispensables pour résoudre ces problèmes. C’est au cœur du sujet des deux-roues électriques.

Technologies de batteries
Aujourd’hui, les deux-roues électriques utilisent de plus en plus des batteries lithium-ion (Li-ion) compactes et légères, à haute densité énergétique. La forme de la cellule de la batterie peut être classée en trois catégories : cylindrique, prismatique et plate (stratifiée). Parmi ces trois types de cellules, les cellules plates présentent la plus forte densité énergétique, et peuvent être rendues plus fines et plus légères, ce qui est essentiel pour les deux-roues pour lesquels l’encombrement et le poids doivent être réduits autant que faire se peut (voir photo).

Batteries Li-ion plates de TDK. Crédit: TDK

Cependant, étant donné que les batteries Li-ion classiques plates sont généralement destinées à de petits appareils électroniques grand public, comme les smartphones par exemple, elles n’offrent pas nécessairement la plage de température opérationnelle adaptée aux deux-roues électriques. En pratique, le moindre rendement de la batterie peut réduire le rayon d’action du deux-roues de près de 50% par temps très froid. Heureusement, de nouvelles technologies de batteries et de nouveaux groupes motopropulseurs permettent d‘atténuer ce handicap.

Pour ce type d’applications, des entreprises comme TDK ont considérablement amélioré le rendement par temps froid, notamment en optimisant la conception des matériaux utilisés pour les électrodes. Les batteries utilisant ces matériaux offrent une durée de vie supérieure en cycles de charge et de très bonnes caractéristiques de charge/décharge à basse température, comme on peut le constater en Figure 2.

Figure 2 – Même à -20°C, les batteries Li-ion plates TDK ne présentent pas de chute de tension significative, et offrent une capacité proche de celle à température ambiante. Crédit: TDK

En outre, par rapport aux batteries Li-ion conventionnelles, la batterie Li-ion plate TDK assure une décharge stable à des débits plus élevés, grâce à sa technologie exclusive d’enroulement à languettes multiples (MTW), qui augmente la puissance motrice du deux-roues, représentée en Figure 3. Ici, des bornes, aussi appelées « languettes », sont fixées aux électrodes positive et négative de la batterie pour permettre au courant d’entrer et sortir. La technologie MTW utilise de multiples languettes, alignées précisément les unes par rapport aux autres, empêchant ainsi une surchauffe locale, réduisant la résistance au courant, et permettant une décharge stable à puissance élevée.

Prévenir la surchauffe locale des cellules de batterie est essentiel. Si les cellules de la batterie surchauffent au point de commencer à brûler, le feu qui en résulte ne peut pas être éteint à l’aide d’extincteurs standard. Il s’agit d’un feu chimique auto-entretenu, également appelé emballement thermique.

Figure 3 – Technologie d’enroulement à languettes multiples de TDK (à gauche): plus il y a de languettes, moins il y a de chaleur générée (à droite). Crédit: TDK

En outre, une décharge stable avec une puissance de sortie élevée est essentielle sur un deux-roues électrique pour éviter la surcharge du moteur électrique. Par exemple, si la tension d’alimentation baisse, le moteur consommera plus de courant dans ses enroulements pour maintenir son couple, et il risque de surchauffer. Si l’on n’y prend garde, la surchauffe entraînera une isolation insuffisante, car pour chaque augmentation de température de 10°C, la durée de vie de l’isolation diminue de moitié. Cette dégradation peut provoquer des fuites et des courts-circuits, voire une panne du moteur. Si le moteur du deux-roues électrique cesse brutalement de tourner pendant le roulage, cela peut provoquer un accident. Par conséquent, la technologie MTW contribue aussi à améliorer la sécurité globale du deux-roues électrique, et permet une conduite plus confortable.

Une autre caractéristique essentielle est la capacité de recharge rapide de la batterie. La technologie « Flash Fast Charging » de TDK permet à la batterie de se recharger à 80% de sa capacité en seulement 25 minutes. En outre, TDK a réalisé la modularisation de plusieurs cellules et même l’intégration verticale des circuits BMS (systèmes de gestion de batterie), offrant ainsi une solution optimisée complète.

Vers un passage à l’électrique à grande échelle
Les progrès de l’électrification des deux-roues sont suivis de près en Chine et en Inde, où les gens utilisent surtout de tels engins pour leurs déplacements quotidiens. En Chine, par exemple, les deux-roues électriques, y compris les vélos électriques, sont l’une des formes de mobilité les plus répandues, avec près de 200 millions de véhicules en circulation.

Si aujourd’hui les deux-roues électriques capables de dépasser les 50 km/h sont encore minoritaires, des engins plus rapides vont apparaître sur le marché. L’Inde, par exemple, a décrété que tous les véhicules vendus dans le pays, y compris les deux-roues, devront être électriques d’ici 2030. Le Royaume-Uni et la France ont également pour objectif de cesser la vente de véhicules à moteur thermique d’ici 2040. Toutes ces déclarations laissent penser que le passage de deux-roues à moteur thermique à des deux-roues électriques va se poursuivre partout dans le monde.

Pour que l’électrique supplante le thermique, les batteries Li-ion doivent offrir un meilleur rendement, et être plus sûres et plus pratiques. Les batteries Li-ion TDK peuvent contribuer de manière significative à relever ces défis et vont assurément devenir rapidement une source d’énergie fiable pour les deux-roues électriques.

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