Le plein d’énergie !

Recharger la batterie d’un véhicule électrique prend aujourd’hui des heures, et à l’avenir les stations de charge devront être bien plus rapides. Les chercheurs de Siemens développent actuellement des bornes qui seront capables de recharger une batterie facilement, en quelques minutes à peine.

Dans les laboratoires du Secteur Energy de Siemens situés à Erlangen et à Fürth, dans le sud de l’Allemagne, il n’est pas rare de faire des étincelles. Et lorsqu’un courant de plusieurs centaines d’ampères traverse les énormes convertisseurs, condensateurs et transformateurs montés sur des bancs d’essai, la plus grande attention est de mise pour protéger non seulement le personnel, mais aussi les composants à tester.

Gernot Spiegelberg s'apprête à recharger une voit du laboratoire Siemens, où le processus de charge est surveillée de près.

« Nous travaillons sur des bornes fixes de recharge pour les batteries de véhicules électriques », explique Heike Barlag, la responsable des essais.      « Ces appareils fonctionnent en courant continu avec une puissance de 12 à 100 kilowatts (kW). » L’objectif est de mettre au point une borne de recharge pouvant être installée sur les aires d’autoroute ou les parkings, et utilisable de façon simple et sûre par les conducteurs, comme une station-service électrique. « Nous utilisons des composants que Siemens produit habituellement pour des applications industrielles, et nous les adaptons à nos propres besoins », poursuit Heike Barlag.

Mais pourquoi du courant continu, et pas une prise normale de courant alternatif (CA), comme celles que l’on trouve dans les habitations ? « Le temps de charge serait bien trop long », répond Heike Barlag avant de démontrer cette affirmation par un calcul : une prise classique délivrant un courant de 230 volts et 16 ampères fournit une puissance d’environ 3,7 kW et peut ainsi charger une batterie de traction de 30 kW en près de 8 heures, soit pendant la nuit. Avec cette charge, une voiture électrique moyenne est capable de parcourir jusqu’à 200 km, ce qui est suffisant en usage urbain. Mais pour effectuer des trajets plus longs, les automobilistes ont besoin de pouvoir recharger leur batterie en quelques minutes.

Les constructeurs automobiles du monde entier s’efforcent d’augmenter la puissance de charge des batteries embarquées dans leurs véhicules électriques, par exemple en utilisant un courant triphasé 400 V pouvant aller jusqu’à 63 A (44 kW). Ce type de solution pourrait permettre de charger une batterie de 30 kWh en 45 minutes à peine. « En principe, la recharge sur prise de courant alternatif convient à un usage quotidien », précise Sven Holthusen, un responsable produit de Siemens spécialisé dans les infrastructures liées à l'électromobilité. Lorsque la vente de véhicules électriques passera à une plus grande échelle, d’ici 2014 selon les constructeurs, cette technologie devrait marquer un tournant dans le domaine de l’électromobilité.

Stocker l’énergie

L’utilisation du courant alternatif présente aussi des inconvénients non négligeables. Plus la puissance de sortie des convertisseurs augmente, plus leur taille et leur poids sont conséquents, ce qui entraîne une hausse de la consommation d’énergie pendant les trajets et donc des coûts d’utilisation plus élevés. C’est pourquoi, au lieu de réaliser la conversion du courant alternatif en courant continu à bord du véhicule, Siemens suit une piste différente et cherche à « faire le plein » directement en courant continu, les équipements nécessaires à la conversion AC-DC étant intégrés à la station de charge. Sven Holthusen explique l’intérêt de cette solution : « Nous pouvons ainsi atteindre des puissances de charge très élevées, de l’ordre de plusieurs centaines de kilowatts, ce qui veut dire qu’une voiture électrique pourrait être rechargée en quelques minutes, exactement comme une voiture dotée d’un moteur à combustion. »

Cependant, le processus soumet les batteries à de fortes contraintes. Plus la puissance de charge est élevée, plus le mouvement des électrons et des ions dans la batterie est rapide : on observe une perte de puissance dans les cellules, qui se réchauffent, et la hausse de température perturbe les réactions chimiques de la batterie. C’est pourquoi des batteries classiques d’une capacité de 30 kWh, par exemple, sont aujourd’hui chargées à 1/3 C par heure, soit l’équivalent de 10 kW, pour un temps de charge s’élevant à 3 heures.

« Nous travaillons avec des partenaires du secteur automobile pour raccourcir le temps de charge des batteries à l’avenir, » poursuit Sven Holthusen. « Il nous faut des batteries conçues pour des températures élevées, qui présentent des pertes de puissance plus faibles ou de meilleures propriétés de refroidissement. Mais ce type de recherches prend du temps. » En parallèle, les chercheurs de Siemens travaillent sur l’optimisation du processus de charge, notamment en participant au projet de recherche danois EDISON (Electric vehicles in a Distributed and Integrated market using Sustainable energy and Open Networks).

Parmi les autres partenaires du projet EDISON figurent l’Université technique du Danemark DTU) et son laboratoire de Risø, ainsi que les fournisseurs d’énergie danois Dong Energy et Ostkraft, le centre de recherches Eurisco et IBM. Ce partenariat étudie la possibilité de stocker temporairement dans des batteries de voitures électriques le surplus d’énergie éolienne que produit régulièrement le Danemark, afin de pouvoir restituer cette énergie au réseau par la suite. Siemens est notamment en charge des technologies de charge rapide.

Gérer les batteries

batterie charge

Les équipes de Heike Barlag et de Sven Holthusen bénéficient à Risø de conditions de test idéales. « Nous pouvons tester chaque composant séparément sur un circuit fermé », explique Heike Barlag. Les chercheurs de Siemens ont déjà intégré le premier chargeur 10 kW à un montage d’essai fonctionnant avec des batteries lithium-ion et un système de gestion de batterie. Le contrôle de la communication entre batterie et chargeur est assuré par un logiciel du laboratoire de Risø. Il est prévu de poursuivre les essais sur un chargeur 90 kW à l’automne 2010 : avec ses 3 C, l’appareil devrait pouvoir charger une batterie de 30 kWh en 20 minutes.

« Notre but est de trouver les bons algorithmes pour charger au mieux les batteries en fonction de leur état », explique Heike Barlag. En effet, la vitesse de charge dépend à la fois de la puissance de charge et de l’état de la batterie, une batterie entièrement déchargée pouvant supporter une plus grande puissance que si elle était en partie chargée.

Les chercheurs sont amenés à tester toutes sortes de techniques de charge, comme par exemple la charge par impulsions : la batterie est chargée par un courant très intense sur une courte durée, après quoi les cellules sont refroidies avant de reprendre le processus. « Les tests de charge rapide que nous menons à Risø pourront déterminer si cette technique permet un gain de temps et un meilleur transfert de puissance, ou si une charge continue est préférable », explique Heike Barlag. « Les premiers résultats sont attendus pour la fin de l’année, et nous espérons atteindre une capacité de charge de 2 à 3 C. »

test batterie
Le test d’une batterie liquide dans le cadre du projet EDISON.

Maîtriser les pics de charge

En plus de leurs travaux sur la vitesse de charge des batteries, les chercheurs de Siemens s’intéressent aux effets de ces recharges sur l’infrastructure réseau. D’ici 2020, un million de véhicules électriques devraient circuler en Allemagne, selon les prévisions du gouvernement, et leur alimentation par le réseau pourrait entraîner des pics de charge : par exemple lorsque des centaines de véhicules rechargeront leur batterie simultanément, à un aéroport ou à un stade. Afin de garantir la stabilité du réseau, les fournisseurs d’énergie devront compenser par une électricité qui coûtera cher, produite par des centrales de pompage-turbinage ou au gaz.

« Plusieurs pistes existent pour faire face à ce problème », explique Sven Holthusen. « Par exemple, au lieu de raccorder directement au réseau les différentes stations de charge en courant continu, on pourrait utiliser une batterie intermédiaire de plus grande capacité, faisant office de tampon. Mais cela augmenterait le coût du chargement en courant continu. Il nous reste beaucoup à faire du point de vue du développement, d’autant qu’il existe encore assez peu de procédures et de technologies normalisées pour le chargement en courant continu. » Ces normes seront pourtant nécessaires si le chargement en courant continu venait à généraliser sur le plan international.

EDISON
Le projet EDISON vise notamment à optimiser l’intégration de l’éolien au réseau électrique : les batteries de voitures électriques pourraient être un moyen de stockage intermédiaire idéal.

Siemens collabore avec le secteur automobile au sein de plusieurs commissions de normalisation qui s’intéressent également aux questions de sécurité, par exemple pour empêcher que les automobilistes ne démarrent leur véhicule ou ne débranchent les prises en cours de charge. Le facteur clé réside dans la communication entre la station de charge et la batterie du véhicule. Par exemple, le chargeur doit savoir quel niveau de puissance la batterie peut recevoir : une information qui lui sera transmise par le système de gestion de la batterie. Etant donné le nombre de modèles différents qui circuleront à l’avenir, la normalisation de cette procédure est une nécessité.

Reste à décider du canal de communication entre chargeur et batterie. Trois possibilités existent : la première consiste à faire appel au bus CAN (Controller Area Network) qui sert déjà à l’interconnexion numérique des organes de commande dans les voitures modernes. La deuxième utilise la technologie dite des courants porteurs en ligne (CPL), qui permettrait de transmettre les informations en même temps que le courant en lui superposant des signaux à basse ou à haute fréquence allant jusqu’à 30 MHz.

Ce concept est actuellement testé par Siemens sur plusieurs projets, dont un lancé en septembre 2010 avec BMW et l’entreprise municipale chargée de l’approvisionnement en eau et en énergie de la ville de Munich, Stadtwerke München. Dans le cadre de ce projet, un prototype de chargeur en courant continu est utilisé sur un modèle modifié de BMW Série 1.

La troisième possibilité consiste à utiliser une communication sans fil de type Bluetooth. « Nous explorons toutes les possibilités », déclare Heike Barlag.   « La commission de normalisation décidera laquelle sera finalement utilisée, mais Siemens dispose déjà de l’expertise nécessaire aux trois technologies. »

Malgré l’importance des travaux réalisés sur les technologies de charge, les laboratoires ne négligent pas pour autant d’autres pistes comme le remplacement de la batterie à des stations de charge, un processus qui pourrait être réalisé par des appareils automatisés en quelques minutes à peine. Les experts de Siemens ont déjà développé un concept pour cette hypothèse.

Vers une technologie sans fil

Il est également possible que les véhicules électriques de demain soient rechargés grâce à une technologie sans fil, soit par induction, grâce à des champs électriques et magnétiques. C’est déjà possible à de faibles puissances, par exemple pour des brosses à dents électriques. Pour Sven Holthusen, il s’agit d’une idée prometteuse car la recharge par induction serait bien plus pratique du point de vue des automobilistes : aucune manipulation ne serait nécessaire et le processus peut être largement automatisé.

Cependant, cette solution est plus coûteuse que la station de charge avec prise. « Nous manquons de solutions suffisamment efficaces pour augmenter la puissance en kW, mais nous travaillons déjà sur plusieurs idées de départ », explique Heike Barlag. Les stations de charge par induction font actuellement l’objet d’un projet mené avec BMW sur le chargement sans fil de véhicules électriques à batterie, et devraient être testées fin 2011 à Berlin.

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Auteur : Rolf Sterbak