L’un des composants du véhicule moderne qui a connu des changements spectaculaires au cours des deux dernières décennies est la batterie automobile. Chez Clore, on dit souvent que la batterie du véhicule a plus changé au cours des 12 dernières années que les 60 années précédentes. Dans cet esprit, nous avons pensé que c’était le bon moment pour revenir sur l’histoire de la batterie automobile et pour obtenir des avis d’experts sur l’orientation des batteries dans les 20 prochaines années.
Origines anciennes ?
Certains scientifiques pensent que des preuves ont été trouvées soutenant la théorie selon laquelle un dispositif semblable à une batterie a été utilisé par les anciens Parthes, qui ont gouverné la région de ce qui est maintenant Bagdad en 200 avant JC. En creusant des lignes de chemin de fer dans les années 1930 à Bagdad, les ouvriers ont trouvé des pots en argile de 13 cm de long qui, après une inspection détaillée, semblaient ressembler à des batteries. Ils étaient complets avec une borne positive (une tige de fer) et une borne négative (un cylindre de cuivre) et on pense qu’une solution semblable à du vinaigre a été utilisée comme électrolyte qui a permis la réaction chimique nécessaire au fonctionnement de la batterie. Tous les experts ne s’accordent pas sur le fait que ces appareils en pot d’argile étaient en fait des piles, et il n’y a pas non plus de consensus sur ce à quoi ils auraient été utilisés. Cela dit, les répliques modernes ont montré la capacité de générer entre 0,8 V et 2,0V avec chaque pot. Ainsi, les batteries ont peut-être commencé il y a plus de 2000 ans.
Avance rapide vers la Première batterie au plomb
Bien qu’il y ait eu de petites étapes dans le progrès de la batterie au début des années 1700, le moment majeur suivant dans l’évolution de la batterie est venu avec Alessandro Volta, qui en 1800 a fait plusieurs découvertes clés qui ont stimulé les progrès sur le développement de la batterie. Premièrement, il a identifié que certains liquides généraient un flux continu d’énergie électrique lorsqu’ils étaient utilisés comme conducteur. Il a également compris que différents métaux acquièrent et libèrent des électrons à des vitesses différentes (potentiel de tension). Enfin, il a découvert qu’il pouvait augmenter la tension totale en empilant ses cellules les unes sur les autres.
Ces découvertes et d’autres ont stimulé d’autres inventions, aboutissant à la conception de la première batterie de production en série par William Cruickshank en 1802. Cruickshank a disposé des plaques de zinc et de cuivre dans une boîte en bois scellée et les a immergées dans un électrolyte de saumure. Ses batteries et d’autres ont évolué au cours des années qui ont suivi, mais elles partageaient toutes un dilemme commun: elles étaient toutes des batteries à usage unique, incapables de se recharger.
En 1859, un physicien français nommé Gaston Planté résolut le dilemme de l’usage unique en développant la première batterie au plomb, généralement le même concept utilisé pour la plupart des batteries de démarrage de véhicules actuelles. La conception de Planté utilisait une anode (électrode négative) en plomb et une cathode (électrode positive) en dioxyde de plomb. C’était la première batterie à utiliser un seul électrolyte pour les deux électrodes. Mais sa grande percée était le fait que sa conception permettait de recharger la batterie en inversant la réaction chimique naturelle. Bien que sa conception présente quelques lacunes, telles que sa courte durée de livraison de la puissance, elle a marqué une étape majeure dans l’évolution de la batterie et est le précurseur évident des batteries automobiles d’aujourd’hui. En 1881, Camille Alphonse Faure, ingénieur chimiste français, améliore le concept de Planté en créant une meilleure structure pour la batterie. Contrairement à la conception en spirale de Planté, Faure a développé un réseau de grille de plomb dans lequel une pâte d’oxyde de plomb était pressée, formant une plaque. Cette conception permettait de combiner plusieurs plaques pour un grand potentiel de puissance et était beaucoup plus facile à produire en série.
Un élément essentiel de la conception des véhicules
Bien que des progrès significatifs aient été réalisés dans la conception des batteries depuis les conceptions originales de Planté en 1859 jusqu’au début du siècle, les batteries au plomb n’étaient pas utilisées dans les premiers systèmes de véhicules. En effet, la plupart de ces véhicules n’avaient aucune demande électrique pendant leur fonctionnement et ont été démarrés en utilisant une forme de processus mécanique, comme un système de manivelle. En conséquence, il n’y avait pas de besoin urgent de pouvoir stocker la capacité électrique de ces véhicules.
Le démarreur électrique a été le développement qui a changé le paysage et a entraîné le besoin de capacité électrique stockée dans le véhicule. Le premier véhicule équipé d’un démarreur électrique aux États-Unis était la Cadillac de 1912. L’auto-démarreur a été développé par Henry M. Leland et Charles Kettering chez Cadillac, plus tard acheté par General Motors. Leland a poussé Kettering à concevoir une alternative aux systèmes de démarrage à manivelle après qu’un autre ingénieur de Cadillac a été touché à la tête et tué par une manivelle de démarrage lorsque son moteur s’est retourné.
Au milieu de l’adolescence, il y avait beaucoup de mécanismes de démarrage utilisés par les automobiles, mais, en 1920, la plupart des nouveaux véhicules étaient équipés de démarreurs électriques. Ce changement a rapidement accru le besoin d’une alimentation électrique fiable au sein de l’architecture du véhicule, faisant de la batterie au plomb un composant essentiel de l’industrie automobile. En 1918, la Hudson Motor Car Company a été la première à utiliser une taille de batterie standard selon les spécifications du BCI (Battery Council International). Les tailles de groupes de batteries BCI sont encore utilisées aujourd’hui (Groupe 24, Groupe 27, etc.).
Pendant cette période et dans les années 1950, les batteries de démarrage des véhicules et les systèmes électriques étaient des systèmes 6V. Un changement majeur s’est produit dans les années 1950, car les voitures plus grandes et les moteurs plus gros nécessitaient la plus grande puissance fournie par les batteries et les systèmes 12V. Nous suggérons qu’il s’agissait du dernier changement majeur apporté à la conception du système de batterie / véhicule avant la fin du 20e siècle.
Cela dit, il y a eu des progrès au cours de cette période. Une étape majeure pour la commodité du propriétaire du véhicule a été l’introduction en 1971 de la batterie Delco-Remy Freedom, la première batterie au plomb sans entretien utilisée dans une application automobile. Les années 1970 ont également vu l’émergence des batteries VRLA AGM, bien que celles-ci aient été largement limitées à des applications spécialisées jusqu’à ces dernières années.
L’ère moderne – Les batteries AGM
Comme le montre l’évolution parallèle de la technologie des batteries et de la conception des véhicules, les développements dans l’une entraînent souvent la nécessité de changer dans l’autre. L’ère moderne n’est pas différente. Alors que la demande électrique des véhicules augmentait dans les années 1990 et 2000, sous l’effet à la fois d’une augmentation du confort en cabine et d’un système électrique en croissance constante, il était clair que la batterie au plomb traditionnelle atteignait sa limite en termes de besoins du système. Cela a conduit à la nécessité de nouvelles constructions et de nouvelles chimies.
Une réponse majeure aux besoins en énergie changeants des véhicules d’aujourd’hui a été l’adoption des batteries AGM. Les batteries AGM (Absorbed Glass Mat) ont commencé à être utilisées dans des applications militaires au milieu des années 1980.Ces batteries au plomb à régulation de soupape (VRLA) apportent de nombreux avantages à la conception du système du véhicule. Premièrement, elles ont généralement une résistance interne beaucoup plus faible que les batteries inondées traditionnelles, ce qui signifie qu’elles chaufferont moins pendant le cycle de charge / décharge typique, ce qui améliore la longévité. De plus, les batteries AGM peuvent être déchargées plus profondément que les batteries inondées traditionnelles. C’est un avantage essentiel, car les exigences électriques accrues des véhicules modernes signifient que la batterie doit répondre aux charges de pointe lorsque la puissance de l’alternateur est maximale. Enfin, les batteries AGM, en raison de leur construction, sont plus résistantes aux vibrations que les batteries inondées traditionnelles et, parce qu’elles sont scellées et sans déversement, peuvent être stockées et utilisées dans n’importe quelle orientation.
Une évolution majeure des systèmes qui est à l’origine de la popularité des batteries AGM est l’adoption des systèmes de démarrage-arrêt du moteur, qui arrêtent le moteur lorsque le véhicule s’arrête complètement et le relancent immédiatement lorsque le pied du conducteur est retiré du frein. Ces systèmes, qui permettent aux fabricants d’améliorer le rendement énergétique, sont généralement déployés à l’aide d’une ou plusieurs batteries AGM. Les batteries trouvées dans de tels systèmes peuvent être des batteries AGM standard, des batteries AGM Start-Stop spécialisées ou une combinaison des deux. D’autres types de batteries devraient être intégrés à ces systèmes au cours des années modèles à venir, mais actuellement, les batteries AGM sont la construction dominante utilisée.
Lithium, Hybrides et Véhicules électriques
Plusieurs fabricants d’origine ont commencé à incorporer des batteries au lithium dans des conceptions traditionnelles en tant que batteries de démarrage (Porsche en est un bon exemple) ainsi que des composants dans les systèmes Start-Stop. Les produits chimiques des batteries au lithium sont très denses en énergie et fournissent de grandes quantités d’énergie (puissance de démarrage ou de réserve) dans un petit boîtier léger. La chimie dominante du lithium de la batterie de démarrage est le LiFePO4 (phosphate de fer au lithium). Cette chimie offre une densité de puissance élevée sans la volatilité des autres chimies au lithium, ce qui en fait une batterie de remplacement appropriée pour de nombreuses applications ou véhicules où des batteries au plomb sont installées.
Le développement des hybrides, des hybrides rechargeables et des véhicules électriques a créé une demande pour une puissance de batterie beaucoup plus importante, mais le poids des solutions au plomb les rendait peu pratiques pour ces applications. Pour relever le défi puissance / poids, les premiers hybrides utilisaient principalement des batteries NiMH (nickel-hydrure métallique) pour résoudre ce problème. À titre d’exemple, la Toyota Prius 2010 incorporait une batterie NiMH de 1,31 kWh.
Le même besoin d’augmenter la puissance sans poids supplémentaire qui a entraîné le passage de l’acide de plomb au NiMH a également provoqué un passage du NiMH aux batteries Li-ion. De plus, les batteries Li-ion peuvent être déchargées plus profondément que les batteries NiMH, ce qui signifie qu’une plus grande partie de la batterie peut être utilisée pendant chaque cycle de décharge – en termes traditionnels, c’est comme pouvoir conduire votre voiture à essence jusqu’à ce qu’elle atteigne ¼ de réservoir contre ½ réservoir avant de devoir remplir. En utilisant la Prius comme exemple, la Prius 2016 utilise un 207V, .Batterie Li-ion de 75 kWh pesant seulement 54 lb. par rapport à l’ancienne batterie NiMH de 202 V, 1,31 kWh pesant 89 lb.
Les hybrides rechargeables et les Véhicules électriques (VE) augmentent les besoins en énergie de manière exponentielle, faisant du Li-ion la chimie de choix pour les modèles actuels. Mais, avec l’augmentation de la puissance fournie par ces batteries, il y a une augmentation de poids proportionnelle, même avec des constructions Li-ion. La batterie Li-ion de 4,4 kWh des modèles enfichables Prius d’avant 2016 pesait 180 lb, les véhicules électriques ont besoin de manière exponentielle de plus de capacité de batterie, ce qui entraîne un poids supplémentaire. La batterie Li-ion de 24 kWh de Nissan Leaf pèse 480 lb (avec module de commande), tandis que la batterie Li-ion de 85 kWh de la Tesla Model S pèse environ 1 200 lb.
Il est raisonnable de s’attendre à ce que les batteries Li-ion atteignent bientôt leur limite de puissance dans une plage de poids raisonnable. De nombreuses nouvelles chimies de batteries, ainsi que des technologies concurrentes telles que les piles à combustible à hydrogène, sont en lice pour devenir la prochaine source d’énergie préférée pour les véhicules électriques. Comme nous l’avons vu au cours des 15 dernières années, l’évolution des besoins des systèmes et la volonté constante d’améliorer les performances créent des opportunités pour de nouvelles technologies. Parce que le changement de tarif augmente, il pourrait nous surprendre en 2030 de voir ce qui alimente les véhicules de tourisme.