Dernière modification 20/02/2023

L'influence du froid et du chaud sur les batteries lithium-ion


Vous le savez certainement déjà, le chaud et le froid ont une influence non négligeable sur le fonctionnement et le vieillissement des batteries de voitures électriques. Cet article vise à résumer quels sont les effets produits par les écarts thermiques subis par ces accumulateurs au lithium-ion (nous ne traiterons pas les batteries NiMH). Pour ce qui est des chiffres concrets liés à la perte d'autonomie, je vous invite à aller plus bas dans l'article.
Notion de base : une batterie peut être rechargée facilement entre 0 et 50 degrés et peut être utilisée en pleine puissance sur un éventail plus large qui va de -20 à 60 degrés. C'est pour cela qu'à froid on a toute la puissance du moteur mais pas la régénération ni même la charge rapide en courant continu.

A lire aussi : le fonctionnement des batteries lithium (composition, charge et décharge)

Voici aussi quelques repères sur l'influence de la température (associée ici à la vitesse de charge) sur la durée de vie de la batterie :


L'influence du froid sur les batteries de voitures électriques



Comme tout est relatif en matière de température, nous considèrerons comme froid les température inférieures à 10 degrés (le zéro absolu [Kelvin] étant vers les - 273.15 degrés, à ce stade les particules élémentaires ne bougent plus du tout. Car le froid est en réalité un phénomène émanant du mouvement des atomes / particules élémentaires, ni plus ni moins).


Recharge

Plus on charge rapidement (puissance élevée en kW) par rapport à une température basse, plus on a ce que l'on appelle une "déposition de lithium", à savoir l'apparition de courts-circuits au sein des cellules (ainsi que la formation de dendrites). C'est pour cela que les Tesla ont tendance à chauffer (préconditionner) leurs batteries quand on pointe sur le GPS vers un superchargeur, cela permet de mieux préserver la batterie lors de cette opération et donc atteindre des vitesses de charge importantes (dans le cas contraire le BMS bride la chose). Dans les faits cela induit une augmentation de la résistance de la batterie à ses bornes, ce qui est contre-intuitif car en électricité la résistance dans les câbles se réduit d'autant plus que la température ne baisse (avec même de la supraconductivité quand on s'approche du zéro absolu, donc plus aucune résistance !).
Bien évidemment, si la logique est universelle, les résultats seront différents selon la conception des batteries (avec des effets plus ou moins importants selon les autos) et de leur gestion thermique plus ou moins active.
Sachez que la charge est encore plus sensible à la température avec les batteries lithium, et qu'elle ne peut se faire qu'entre 0 et 45°. Pour la décharge la fourchette va de -20 à 60°, c'est pour cela qu'on peut avoir toute la puissance à froid mais une régénération qui reste davantage limitée.
Charger rapidement sous les 0° peut induire une dégradation soudaine et importante de la batterie (de manière définitive), et c'est une des tâches du BMS que de bien contrôler tout ça, en vous empêchant une charge (ou en la limitant drastiquement) si il fait trop froid par exemple.

En fait c'est lié à la dilatation de l'anode (pôle - de la batterie), vers laquelle on envoie les ions lithium lors de la recharge. Contrairement à la cathode (+), l'anode se dilate et se contracte beaucoup plus lors des charges/décharges (jusqu'à 20% de son volume). Le souci est qu'à froid cette dilatation est plus difficile à obtenir en raison du froid qui fiche et "glace" les couches de graphite. Les ions ne trouvent alors plus assez de place pour s'insérer (le graphite ne gonfle pas assez vite) ce qui induit un placage des ions lithium sur l'anode (en surface) au lieu de se faire dans le graphite. A la clé une augmentation de la résistance avec une baisse de la capacité de la batterie et des risques accrus d'incendie.


Notez qu'une recharge à froid d'une batterie très faible peut induire des risques d'explosion, et certains BMS (qui gère la batterie) empêchent parfois la recharge dans ce contexte.

Rendement / autonomie

Quand la température est basse, le rendement de la batterie sera moindre, c'est à dire qu'elle aura des pertes entre les kWh qu'elle a en réserve et ceux qui pourront être dépensés / exploités par le moteur électrique.
Il faut donc bien comprendre que cela n'abîme pas la batterie, c'est juste qu'elle ne pourra pas offrir toutes ses capacités (donc baisse de rendement). Cette perte est liée à des réactions chimiques qui se produisent de manière moins optimale et un accroissement de la résistance des cellules dans ces conditions.
Pour vous donner un ordre de grandeur, on perdra potentiellement 15 à 20% d'autonomie aux alentours de 0 degré, et cela pourra même atteindre -40% si on se situe à - 10 degrés. Il faut comprendre qu'au delà de la perte de rendement de la batterie, le chauffage a aussi une grand incidence (car plus il fait froid, plus il aura d'efforts à faire, une sorte de cercle vicieux qui tend vers une exponentielle des pertes ..).



Voici un graphique qui fait le lien entre vitesse de charge et décharge selon la température. Quand il fait froid le temps de charge est plus long mais le temps de décharge plus court, nous n'avons donc que des inconvénients

Notez qu'on estime à 90% la perte de rendement à - 40 degrés (montrant ainsi que les voitures électriques de Musk ne pourront pas vraiment servir sur Mars, à moins de trouver une autre chimie) ! Tesla indique aussi dans sa notice qu'il ne faut pas exposer sa batterie à une température inférieure à - 30 degrés ... Car si le froid n'est à la base pas néfaste pour la batterie (on perd juste en rendement dans ces conditions), le gel extrême peut bien évidemment induire des modifications internes au niveau de la chimie, un peu comme quand un liquide gèle (modification du volume/dilatation et cristallisation). Bref, jusqu'à - 20 / - 30 degrés cela n'induit que des pertes de rendement sans endommager les cellules.

Enfin, sachez qu'une batterie (la majorité des chimies sur le marché) fonctionne de manière optimale aux alentours des 20 degrés.


On voit ici l'évolution de la courbe de voltage (qui sert à mesurer le pourcentage de batterie restant) durant la décharge (et selon la température). On remarque une montée de la courbe (au début) sur les très faibles températures, car la batterie chauffe en étant utilisée (ce qui améliore un peu les choses)


Ces données sont très intéressantes car sont été collectées en condition réelle sur de nombreux véhicules ... On peut donc dire que les résultats sont fiables et reflètent bien ce que vous vivrez au quotidien. Sur certaines températures idéales, on dépasse même l'autonomie nominale indiquée par le constructeur ... Ne soyez donc pas étonné de voir les 100% être dépassés. Plus d'informations sur cette page.

Température Pertes d'autonomie
-20° -55%
-10° -40%
-20%
10° 0
20° +15%
30° +5%
40° -20%








(DOD = Deep of disarge)






Polarisation électrochimique

Quand on sollicite fortement sa batteries à très basse température, les réactions électrochimiques à l'intérieur de la batterie lithium sont plus lentes, ce qui peut mener à une accumulation de produits chimiques à la surface des électrodes (dégradations permanentes) et une diminution de la conductivité électrique. Cela peut augmenter la résistance de la batterie et réduire sa capacité à délivrer de l'énergie.

Décharge profonde

Une décharge profonde à froid sera plus néfaste pour la batterie que si cela est produit à chaud. Pensez donc à recharger rapidement votre accumulateur quand vous êtes en toute fin de batterie (sous les 10%), tant que la batterie est encore chaude. La conséquence est la dégradation du collecteur (corrosion) ainsi que l'accroissement de l'impédance de l'électrode côté négatif (pour ceux à qui ça parle évidemment ...).

Stationnement prolongé

Le froid sera plutôt un allier, les batteries doivent être idéalement stockées dans un milieu froid (idéalement vers les 10 degrés, mais en dessous ça ne pose pas de problème). Ne voyez donc pas le froid comme un ennemi pour votre batterie, bien au contraire ...

L'influence de la chaleur sur les voiture électriques


Les batteries au lithium vivent mal les températures au delà de 70° Celsius (à partir de 50° cela commence à dégrader la batterie bien que cela dépendra toujours un peu de leur qualité et conception, les cellules cylindriques dissipant mieux la chaleur par exemple) , il est donc impératif d'éviter d'en arriver à ces niveaux de température. Il faut donc savoir que la chaleur peut provenir du milieu dans lequel on est mais aussi et surtout de l'utilisation de la batterie (plus on tire dessus plus elle chauffe : effet Joule).

La problématique est subtile car la chaleur influe aussi sur la capacité de stockage (meilleure à chaud mais on va y revenir) et la durée de vie de la batterie à la fois (l'un prenant le pas sur l'autre). On y revient au chapitre de la recharge ...

Toutes les voitures ne sont pas logées à la même enseigne, car si on retrouve un circuit de refroidissement liquide sur les Tesla, ce n'est par exemple pas le cas sur une Leaf qui les refroidit de manière assez rudimentaire (par l'air uniquement). La Leaf vivra donc potentiellement dans sa vie plus d'excès de température bien que l'électronique de puissance limitera la puissance des moteurs quand on atteindra la limite (en revanche elle ne peut rien faire dans le cas d'une canicule en circulant au Sahara ...). Pensez donc à vérifier si l'auto que vous convoitez à un dispositif de refroidissement poussé ... Et à ce propos les dégradations de capacités de la batterie sur les autos de ce type sont généralement plus importantes que sur celles qui sont dotées d'un refroidissement actif performant. On peut vite se retrouver avec 20 à 30% d'autonomie en moins au bout de 5 ans, contre moins de 10 sur les Tesla ...


Pensez aussi à limiter vos ardeurs quand il fait très chaud, il faut donc éviter d'accélérer fort de manière répétées ou d'abuser de la régénération (dans le cas d'une descente de montagne en pleine canicule). Bien évidement les véhicules ont quand même été conçus de manière à limiter les dégâts, il ne faut donc pas aller jusqu'à devenir paranoïaque.

Recharge

Si le chaud est clairement l'ennemie des batteries, il permet toutefois d'améliorer les recharges de forte intensité. Recharger à 150 kW batterie froide aura comme conséquence de dégrader fortement les cellules (phénomène de "déposition de lithium") ...
Pour avoir quelques repères, sachez qu'à 45 degrés la batterie peut emmagasiner 20% d'énergie en plus qu'à 20 degrés. Toutefois, au bout de 200 cycles on aura une perte de capacités de 6.7% avec des charges à 45 degrés contre 3.3% avec des charges à 20 degrés.
L'électronique de puissance, si il n'a pas été codé avec les pieds évidemment, gèrera aussi cela en limitant le débit batterie froide.
Il faut quand même être plus méfiant des électriques "anciennes" telles les Zoe (qui inspire peu confiance vu vos retours sur la fiche fiabilité du site) ou Leaf 1.


Autonomie

On a plus d'autonomie quand la batterie est chaude, mais vous l'aviez probablement deviné en lisant le premier paragraphe ... C'est donc le rendement de la batterie qui est meilleur en exploitant au maximum les kWh disponibles en son sein. Il n'y a toutefois pas besoin d'arriver à des températures importantes, à partir de 20 degrés c'est tout bon.


Bilan et témoignage

Si il est intéressant de connaître les impacts et conséquences du chaud et du froid sur les batteries des voitures électriques, il faut quand même prendre en compte que les calculateurs permettent de limiter la casse en contrôlant tout cela, et il y a même parfois une jauge de température (telle la Leaf II par exemple) pour vous informer du niveau de chaleur de la batterie.

Enfin, quoi de mieux que le témoignage d'un taxi qui utilise une Model 3 depuis 72 000 km :


Avis Electrique

(Tri par ordre de longueur de l'avis)


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(Tri par ordre chronologique)

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Dernier commentaire posté :


Par orthographor (Date : 2023-06-07 20:31:02)

Faites corriger vos textes ! une approximation de forme suggère une approximation de fond .

Il y a 5 réaction(s) sur ce commentaire :

  • Par Fab i trois TOP CONTRIBUTEUR (2023-06-07 23:14:31) : Bonjour,

    Vôtre pseudo c'est pas plutôt "or tôt gras fort", vous comprenez car là c'est plus pour la forme que le fond.

    Je pourrai aussi vous proposer "orthographeur" mais on tomberait dans un néologisme dans le fond et la forme.

    Resterait alors à le décliner comme au dessus en "hors taux grapheur" le "king" du tag de l'orthographe du site apparemment en forme quoi que dans le fond il n'en soit pas si sûr.
    Voilà reste plus qu'à causer batterie, moteur électrique, pneumatique, portière, ceintures de sécurité, prise de recharge combo ccs, jante, volant, frein à disque, boîte automatique, détecteur d'obstacle, radar de recul, capot...., bref tout un inventaire à la Prévert, Jacques de son prénom...., vous vous rappelez cher ortho bidule truc..., c'est celui qui avait fait une grande faute d'orthographe, une très grande même...., avec le mot "girafe", écrit "giraffe"...., allez pour la forme...., d'après vous, dans le fond était-ce ou non un grand poète ??

    A plus
  • Par Ray Kourgarou TOP CONTRIBUTEUR (2023-06-08 12:29:02) : Allons, allons, ne nous emballons pas, il faut garder son calme et vous avez tous deux quelque bonne raison d'exprimer votre ressenti.

    'Orthographor' met le doigt sur un fait, les articles de ce site ne sont pas toujours parfaits dans l'hortau..., l'ortog.., l'orthographe et la grand-mère, heu... la grammaire.
    Pour les 'ceusses' qui maîtrisent à peu près correctement les deux mamelles de notre belle langue cela peut un poil déranger quant à la forme bien sûr, mais ne jetons pas le bébé avec l'eau du bain ni le glaçon avec le pastis, l'Admin fait au mieux qu'il peut. Évidemment quelques petites relectures s'imposeraient quand même parfois pour 'écrémer' le plus gros du gras.

    Fab i trois pour sa part s'applique plus à la teneur du fond et à l'importance primordiale de traiter les sujets purement mécaniques, électriques, électroniques voire juridiques concernant nos 'chers' (dans tous les sens du terme) véhicules, sans trop s'attacher à une orthographe et/ou une grammaire parfaitement académique, ce qui m'apparaît assez de bon sens et louable puisque le thème principal du site est la 'bagnole', ses avantages et inconvénients et tout ce qui s'y rapporte.

    J'avoue néanmoins que je suis particulièrement atterré de lire certaines interventions et commentaires annexes, quand j'arrive à les déchiffrer.

    Je suis parfaitement conscient que l'orthographe et la grammaire partent de plus en plus en couille au fil du temps sans même s'attacher à relever les fautes de français commises par certains voire la plupart des journalistes, nombre de politiques, scientifiques, intervenants des médias et autres bac+++++++ qui s'accomodent à parfois prendre certaines libertés avec la langue française.

    Quelques exemples que j'ai notés, entendus de-ci de-là (cahin-caha) à la télé et qui me hérissent, sans oublier les régulières et habituelles fautes d'orthographe dans les sous-titres et bandeaux déroulants de BFMTV, CNEWS et autres journaux télévisés, à se demander si leurs auteurs sont des stagiaires analphabètes (comme leurs pieds) :


    - la chose/il/elle "rentre" au lieu de "entre" alors que c'est la première fois que la chose/il/elle "entre" ;
    - "...c'est l'exemple QUE vous parliez..." (journaliste) ;
    - "...il y a quatre milliards de personnes qui N'A pas accès à l'Internet... (scientifique) ;
    - "... à seize ans c'est l'âge des PREMIERS amours..." au lieu de 'premièrEs amours' (commentateur de cinéma) ;
    - " elle à été 'mis' à jour... au lieu de 'misE' à jour, ... belle faute d'accord de plus en plus 'entendue' ces derniers temps, à croire que c'est 'viral' ; et quand bien même, la liaison devrait faire entendre au masculin le 'mis-zà-jour' mais n'est pas 'pratiquée' ;
    - Je note aussi très régulièrement le "...on a mis À jour" (des ossements, une tombe pharaonique, etc...), au lieu bien sûr de "mis AU jour, dans le sens d'exhumer ;
    - " elle a été ... 'fait'... au lieu de 'faite', dans la même veine qui le 'mise à jour' précédent
    - " ça 'dénote' au lieu de détonne " dans le sens de "ne pas être dans le ton" ;
    - " la NASA pense-T'à la lune " liaison bien 'mal t'à propos' d'une commentatrice scientifique;
    - " c'est quelque chose sur 'LEQUEL' nous n'avons pas d'informations... (intervenante).
    - etc...

    N'oublions pas l'omission devenue presque systématique des liaisons évidentes et bien sûr les mêmes mais effectuées mal t'à propos.

    Sans oublier ce qui me fait particulièrement bondir et que je souligne régulièrement, l'emploi quasi systématique de 'UN espèce', prononcé à longueur de temps par pratiquement tout le monde alors que le mot 'espèce' est du genre FÉMININ et DOIT donc TOUJOURS s'employer au féminin, 'unE espèce....'

    Il y en a un paquet d'autres mais je n'ai pas trop le temps...

    Ce Sidi, belle abbesse, revenons à nos moutons ou plutôt à nos 'moulins' comme aurait pu le dire Jean et comme l'écrivit Alphonse Daudet dans 'les lettres de...' et n'en faisons pas des 'caisses'*.

    (*) bagnoles, tires, chignoles, tutures, guimbardes, tacots, bouzins, pièges...

    Ray. 🙂
  • Par Ray Kourgarou TOP CONTRIBUTEUR (2023-06-08 12:36:29) : Tiens, j'ai 'fait une fôte' moi z'aussi dans le commentaire précédent ! J'espère une seule 🤪, j'aurais dû mieux me relire également... là j'ai plus le temps, j'ai apéro. 🙄
  • Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2023-06-08 18:35:09) : N'hésitez pas à pointer les erreurs ou au moins indiquer leur nombre approximatif. Plutôt 2 ou 10 fautes ? Gravissimes ou d’inattention ?
  • Par maybac (2023-06-12 10:00:32) : Bonjour a tous.
    Un message pour Ray kourgarou,merçi pour la solution
    que vous m'avez proposé pour les fumées sur le CLK
    Mercedes, passé le CT le 5 juin dernier contrôle OK
    suis très content j'ai fait comme vous m'aviez indiqué a savoir monter les tours par fraction a 4000 tmn sur place 5 mn avant le contrôle et ça a
    marché, merci encore pour votre conseil
    Bonne journée.

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