Batterie vélo électrique : poste indispensable et onéreux du VAE
La batterie est encore l’élément le plus onéreux du vélo électrique. Pour une question de coût initial, le cycliste électrique risque d’investir dans une batterie à la capacité limitée pour se débattre ensuite avec l’autonomie. Il faut pédaler, anticiper, freiner le moins possible et ne pas trop solliciter la batterie pour être certain d’arriver au bout du trajet. La plupart du temps il n’y a pas de watt-meter installé et le pilote est aveugle sur les informations qui permettraient de gérer l’énergie embarquée.
Quoiqu’il en soit, l’objectif est de définir un investissement pérenne plutôt qu’une dépense pour un système trop limité : dans les lignes suivantes on pourra trouver quelques pistes de réflexions tout en sachant qu’il s’agit de généralités.
Terres rares : la Chine incontournable
Aujourd’hui la production – extraction et raffinage – de terres rares est à 90% chinoise (en savoir plus sur wikipédia). Cette activité est particulièrement nocive pour l’environnement et pour l’instant la Chine semble s’en accommoder : un marché avec 20% de croissance annuelle et de 120 milliards de dollar, ça ne se refuse pas. Avec ces terres rares des entreprises chinoises ou des joint-ventures (Sanyo, Panasonic, etc…) produisent des cellules permettant d’alimenter les smartphones, les ordinateurs portables, les fauteuils roulants, les autos et les motos électriques, sans oublier les vélos à assistance électrique (VAE). Le marché est si important d’un point de vue stratégique que c’est devenu un élément de la politique étrangère chinoise : le Japon a déjà été menacé d’embargo !
De la terre rare aux cellules
Une batterie est composée de cellules. En additionnant les cellules en série et parallèle, on obtient la tension désirée. On reviendra plus tard sur la chimie, sachez seulement que :
- en technologie Li-Ion et LiPo chaque cellule a une tension nominale de 3.7V et la tension maximum est de 4.2V. Une batterie de 48V est composée de généralement de 13 cellules, une fois chargée la tension maximale est de 13*4.2V soit 54.6V
- en technologie LiFePO4 chaque cellule a une tension nominale de 3.2V et la tension maximum est de 3.65V. Une batterie de 48V est composée généralement de 16 cellules et lorsque la batterie est chargé, la tension maximale est de 16*3.65V soit 58.4V
Ci dessous un schéma représentant une batterie composée de 13 cellules de 3.7V de tension nominale. En supposant que la capacité de chaque cellule soit de 10Ah, pour obtenir une batterie de 48V et 20Ah il faut 13*2 soit 26 cellules (ainsi qu’un BMS, voir plus bas) :
Le montage en série des cellules est identifié par la lettre S. Sur la batterie de 10Ah composée de 13 cellules, on dit que c’est une 13S1P, le « 1P » indique 1 parallèle. Dans le cas de notre batterie de 20Ah avec deux groupes de 13 cellules, on parle de 13S2P : deux fois treize cellules.
Battery Management System (BMS)
Les cellules composant la batterie sont très fragiles : il faut absolument respecter certaines règles : ne pas dépasser la tension max de 4.2V, ne pas descendre en dessous de la tension min. Pour ce faire une carte électronique gère :
- la coupure haute et basse,
- l’intensité de décharge et charge
- les paramètres d’équilibrage des cellules
- parfois la température ainsi que d’autres paramètres
Les cellules et le BMS déterminent la capacité de sortie : une batterie délivrant 20Ah et de capacité 20Ah délivre 1C. Si la batterie est capable de sortir 40Ah, alors elle est de capacité 2C : les appels de courant sont plus fort, mais la durée pendant laquelle le courant est fourni est divisé par deux ! Le BMS est dimensionné pour la capacité de sortie.
Au sujet de la capacité, il est important de comprendre l’adéquation entre la puissance demandée (par le contrôleur) et la capacité de la batterie. Si votre contrôleur est donné pour 28Ah et que votre batterie de 15Ah ne peut sortir que 20Ah alors votre configuration n’est pas correcte.
Le BMS associé aux cellules défini le taux de décharge. Par exemple :
- Maximal Continuous Discharge C-Rate: 30Amps / signifie que la batterie peut délivrer 30 ampères en continu
- Maximal Discharge Current: 60Amps / signifie que la batterie peut délivrer 60 ampères pendant quelques secondes
La chimie
Une batterie est composée de plusieurs cellules identiques. Les batteries plomb ne sont plus utilisées pour les vélos (sauf produit d’appel à déconseiller formellement) et aujourd’hui trois technologies sont présentes, mais pas toujours aisées à identifier : l’Europe et la Chine ne retiennent pas la même terminologie !
- En Chine LiMnO4 et Li-NiCoMnO2 sont nommées “Li-ion”.
- En Europe on distingue :
- – Li-Ion pour des ions Li+ and une électrolyte liquide dans une enveloppe solide,
- – Li-Po pour un polymère solide permettant une enveloppe souple facilement identifiable
- – LiFePO4 : Lithium Fer Phosphate
Attention : les deux première technologies ont des cellules de 4.2V max et la troisième de 3.65V : en conséquence, ne jamais utiliser un chargeur destiné à une technologie pour une autre technologie. Par exemple, en 48V le Li-PO se charge à 54.6V et le LiFePO4 à 58.6V !
Nombre de cycles
Une information très importante est le nombre de cycles. C’est à dire le nombre de fois que l’on va pouvoir recharger sa batterie. En général les chiffres fournis sont optimistes, et les protocoles de mesures sont variables (ne serait-ce que par rapport à une utilisation dans la vie réelle).
En effet, souvent le nombre de cycle correspond à une décharge à 1C*, sur une décharge à 50% ou 80%, à une température de 20 ou 25°C ! La réalité est bien différente, les 25° sont bien présents en été, mais pour le reste du temps… Attention, le nombre de cycles est déterminé fortement par la chimie, comme on pourra le lire ci-dessous.
*C permet d’estimer le temps de charge et de décharge. Lorsque l’on vide une batterie en une heure, alors on la vide en 1C. Si on utilise une batterie de 10Ah et que l’on consomme en continu 20A (peut importe la durée), alors on est en train de la vider en 2C. Cela fonctionne aussi pour la charge. Une batterie de 10Ah que l’on charge avec un chargeur de 5Ah est chargée à 0.5C. Vous trouverez des
explications complémentaires sur C ici.
Exemple pratique : étude des spécifications pour une Zippy de chez Hobby King :
| Capacity(mAh) |
5800 |
| Config(s) |
6 |
| Discharge(c) |
30 |
| Weight(g) |
838 |
| Max Charge Rate (C) |
2 |
| Length-A(mm) |
149 |
| Height-B(mm) |
49 |
| Width-C(mm) |
56 |
Sur le tableau ci-dessus ont voit que la batterie peut être déchargée à 30C. Comme elle fait 5.8Ah, cela fait 174A ! Et pour la charge à 2C, on peut donc envoyer 5.8 * 2 = 11.6A.
Impact du nombre de C en décharge dans le calcul de la durée de vie : dans le schéma ci-dessous (source
Battery University) on voit que plus on tire d’intensité sur la cellule Li-Ion mesurée et plus le nombre de cycles est réduit :
Pardon cher lecteur, mais l’article que vous êtes en train de lire comprend de nombreuses généralités et autant de raccourcis, le sujet est inépuisable et il faut parvenir à synthétiser les idées principales en quelques lignes.
Pour donner un exemple de « vérités » mise à mal, voici des informations saisissantes fournies par A123 :
- deux cellules A123 ont été déchargées à 100% à 23° à 1C/1C de taux de décharge et charge
- après 20000 cycles les cellules avaient encore 65% de leur capacités initiale
Ci-dessous le graphique qui synthétise le test :
Comparaison des chimies
|
Li-Ion |
LiFePO4 |
| Tarif indicatif* 48V 15Ah |
299$ |
409$ (+37%) |
| Nombre de cycles |
800 |
2000 (+150%) |
| Poids |
4.3Kg |
6Kg (+40%)** |
| Protection VMax en volts |
54.6 |
58.4 (+7%)*** |
| Protection VMin en volts |
35.75 |
32 |
- Le tarif indicatif est pour une batterie achetée en Chine, sans transport ni taxe d’importation. Pour un prix rendu à votre porte, utilisez un coefficient 1.5 !
** Le % de poids est assez variable, de 7 à 8kg pour une 20Ah, mais selon les batteries on peut arriver à 10 ou 11kg pour une 48V 20Ah pour du LiFePO4
*** Une batterie dont la tension est plus élevée permettra de rouler plus vite. Empiriquement 48V = 48km/h, mais cela dépend du bobinage du moteur !
Quelques commentaires :
- le prix initial est favorable au Li-Ion mais le coût d’exploitation est favorable au LiFePO4. Un calcul empirique (15000km pour une 20Ah en Li-Ion à 450€ et 30000km pour une LiFePO4 à 500€ donne un coût d’exploitation de 3€ les 100km pour la première et 1.67 pour la seconde !
- la densité énergétique est favorable au Li-Ion, cela signifie que la Li-Ion pèse moins lourd et peut être déterminant selon l’application
Autonomie et conseils sur la capacité
Vu que la batterie est chère, on a tendance à calculer au plus juste. C’est une erreur, parce que :
- une batterie devrait ne jamais être vidée à plus de 80% de sa capacité pour préserver son nombre de cycles
- lorsque l’on roule à 0° on consomme 30% de plus (car la résistance interne augmente)
- lorsque le vent souffle la consommation explose
Cela signifie que si vous pensez qu’une batterie de 10Ah suffit pour votre trajet, il est conseillé de prendre une batterie de 15Ah.
Comme vu plus haut, adaptez votre contrôleur et votre batterie : un contrôleur 20A s’accordera parfaitement avec une batterie qui délivre 20A et plus en continu.
Pour des chiffres en utilisation réelle, consultez le paragraphe « En Pratique » ci-dessous.
Décharges, recharges, entretien, stockage
Les points ci-dessous sont des conseils permettant de bien gérer la batterie :
- Au début des téléphones portables et de leurs batteries au NiCd, du fait de l’effet mémoire de cette chimie, le conseil était de vider complètement et de recharger « à fond » pour casser l’effet mémoire. Cette idée là est restée dans la mémoire collective et certains (ignorants) veulent l’appliquer à la chimie Li-Ion ou LiFePO4 des batteries de vélo actuelles : c’est une erreur terrible et destructrice, il faut éviter les décharges profondes
- Si votre batterie est de type Li-Ion, considérez que chaque cellule ne doit pas descendre en dessous de 3.2V : pour une batterie composée de 13 cellules, ne descendez pas en dessous de 41.6V, même si votre BMS ou le contrôleur ont des coupures basses inférieures
- En plus du point précédent, le BMS est un montage électronique qui utilise l’énergie de la batterie pour fonctionner, les cellules ont tendance à l’auto-décharge : rechargez le plus souvent possible votre batterie
- il n’y a aucun moyen d’entretenir sa batterie (on ne peut pas « changer le filtre à huile » ou « refaire la pression ») si ce n’est en respectant les cellules : tensions hautes des basses, pas de décharges profondes. Ceci dit, comme les cellules ont tendance à l’auto décharge, vous pouvez recharger la batterie au moins une fois par mois
- et pour finir avec le stockage : la tendance à l’auto-décharge est moindre avec les basses températures : autant que faire se peut, stockez au froid !
En pratique
- une batterie 48V 20Ah LiIon
- moteur Nine Continent 9×7
- environ 70km par jour de travail sur une année, environ 400 cycles de recharge (tous les 35km). Perte de la capacité après 400 cycles : environ 20% (il reste 16Ah)
- le vélo est utilisé « en mode scooter », c’est à dire sans jamais pédaler
Ci-dessous les kilomètres mensuels sur une année (mesure GPS, enregistrement dans RunKeeper) :
Sur le trajet :
- vitesse moyenne en auto = 44km/h
- vitesse moyenne en VAE = 42km/h
Ci dessous un relevé des temps au kilomètre (mesurés par GPS) :
Quelques remarques :
- le froid augmente la résistance interne de la batterie : en hiver avec des températures autour de 0° la consommation est 30% plus importante qu’à 25°
- autonomie 55km avec une batterie 48V 20Ah et le RH205 9×7 à 25° sans vent, contrôleur 24Ah parcours plat et sans pédaler à +40km/h de moyenne
- autonomie 41km avec un 48V 15Ah et le moteur RH205 9×7 à 25° sans vent, contrôleur 24Ah parcours plat et sans pédaler à +40km/h de moyenne
- en diminuant la vitesse la consommation diminue fortement. Avec la batterie 20Ah à 30km/h on peut compter sur 80km d’autonomie
Quelques chiffres de parcours réels (moteur RH205 9×7, batterie 48V 20Ah, contrôleur 24A) :
- 38 km à 41km/h de moyenne, vent contre 10km/h, max speed 48km/h, consommation 12A
- Vitesse Max 55.4km/h vent dans le dos 30km/h
- 36km à 43.7km/h de moyenne
- 72km avec une charge, 35km en « mode scooter » vitesse maximum, le reste en pédalant légèrement
Batteries de modélisme ?
A priori les batteries de modélismes peuvent représenter une alternative séduisante : le coût est limité et on peut penser effectuer la maintenance soi-même en jouant avec les packs. Par exemple on peut assembler deux LiPo de 24V 8Ah pour se faire un pack 48V à faible coût.
En réalité, le seul avantage est celui du coût a priori, mais la réalité ressemble à un miroir aux alouettes :
- assembler un pack de batteries présente un premier inconvénient : la qualité des unités reçues. En effet, il arrive souvent que :
- sur un lot de batteries que l’on souhaite assembler, un des packs soit mauvais (une cellule primaire défectueuse) et c’est le pack entier qui est mauvais (par exemple des Hobby King 24V 8000mAh…)
- la capacité annoncée est loin du compte (exemple WinForce, il en faut six à 5000mAh pour avoir les mêmes performances de deux Hobby King 8000mAh)
- le pack assemblé soi-même n’a pas de BMS. Du coup on peut facilement décharger au delà de la limite le pack. C’est impossible avec une batterie intégrant le BMS. On peut résoudre le problème en réalisant ou achetant un BMS…
- la surveillance de chaque cellule passe par un LiPo siffleur… Ou pas ! Du coup, encore de la connectique à effectuer, et surtout ne pas oublier de débrancher le siffleur qui va décharger la batterie
- la charge est pénible, on peut soit charger chaque batterie une à une (idéal, se lever la nuit à la fin d’une batterie pour charger l’autre) soit acheter de la filasse et charger tout ça en //. Eviter de charger tout ça au bureau, ça va se voir !
- Il faut acheter un chargeur spécifique et de bonne qualité, ce qui n’est pas bon marché
- En plus du chargeur il faut acheter une alimentation pour le chargeur
En conclusion assembler ses propres batteries est possible, mais en terme de coût ce n’est pas nécessairement gagnant. D’autre part, il faudra prévoir du temps, de la patience et des essais avant de parvenir à une solution pérenne. Sans compter que toute la filasse et les boites (chargeur, alimentation, plaquette pour charge en //, batteries) ne passent pas inaperçues : il est très difficile de charger discrètement au bureau.
