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Bien charger sa voiture électrique – les facteurs essentiels
De plus en plus d'automobilistes envisagent d'acheter une voiture électrique. Cela apparaît clairement dans les statistiques actuelles de l'Office fédéral allemand des véhicules à moteur. Alors que le nombre d'immatriculations de véhicules neufs en 2020 était en net recul (-19,1%) par rapport à 2019, les voitures électriques ont poursuivi la tendance de l'année précédente avec une croissance de 207%. Avec 194 163 nouvelles immatriculations, les voitures électriques ont représenté 6,7% du marché en 2020.
Même si la popularité des voitures électriques est en constante augmentation, de nombreux acheteurs de voitures hésitent encore à passer à un véhicule à motorisation électrique.
Ils évoquent les temps de charge très longs et optent finalement pour une voiture neuve à moteur à combustion. Après tout, faire le plein de carburant est moins long que de recharger la batterie d'un véhicule. Mais combien de temps les voitures électriques doivent-elles rester branchées à la station de recharge ? Nous vous dévoilons les facteurs décisifs à cet égard.
Pour pouvoir répondre concrètement à la question du temps de charge, il convient tout d'abord d'examiner d'un peu plus près le thème des "accumulateurs et des piles".
Tandis qu'en anglais, on utilise indifféremment le mot "battery", il existe de subtiles différences en français. On distingue précisément les piles et les accumulateurs ou batteries. En principe, les deux termes sont utilisés pour désigner des éléments de stockage d'électricité.
Une pile est toutefois conçue comme une réserve d'électricité à usage unique et ne peut être que déchargée. Lorsqu'elle est vide, elle doit être éliminée dans le respect de l'environnement. Les piles sont également appelées "cellules primaires".
Un accumulateur (ou batterie) peut par contre être rechargé plusieurs fois et est donc une réserve d'électricité à usage multiple, également appelée "cellule secondaire".
Les termes "batterie" et "accumulateur" sont souvent utilisés indifféremment dans le langage courant. Lorsque le moteur à combustion ne démarre pas par des températures négatives parce que le démarreur ne reçoit pas assez de courant, les spécialistes parlent d'une batterie de voiture usée. Or, la batterie de voiture en question est en réalité un accumulateur au plomb qui est rechargé par l'alternateur lorsque le véhicule roule.
Dans une voiture électrique aussi, un accumulateur est utilisé par défaut pour alimenter le moteur. Pourtant, on lit toujours le mot batterie lorsqu'on parle de l'accumulateur d'une voiture électrique moderne.
Les accumulateurs sont des éléments galvaniques, qui se composent de deux électrodes et d'un électrolyte. Le stockage de l'électricité se fait sur une base électrochimique. Dans l'exemple de batterie de démarrage déjà mentionné ci-dessus, il s'agit techniquement d'un accumulateur au plomb. Les électrodes sont composées de plomb et de dioxyde de plomb. L'électrolyte utilisé est de l'acide sulfurique dilué avec de l'eau. Il existe cependant de nombreuses autres technologies d'accumulateurs, les plus répandues étant les accumulateurs au nickel-cadmium, les accumulateurs au nickel-métal-hydrure ou encore les accumulateurs au lithium-ion.
Comme les accumulateurs lithium-ion présentent actuellement la densité énergétique la plus élevée, ils sont volontiers utilisés dans les smartphones, les tablettes, les ordinateurs portables ainsi que dans les outils sans fil. Même dans le domaine des loisirs, les accumulateurs au lithium sont de plus en plus utilisés. Lorsque l'électrolyte se présente sous la forme d'un film solide ou d'un gel à base de polymère, les accumulateurs sont également appelés accumulateurs lithium-polymère (LiPo).
L'électrode négative (anode) se compose de graphite ou également d'un alliage de zinc, titane et lithium.
L'électrode positive (cathode) est fabriqué à partir d'oxyde de cobalt-lithium (III). Outre le dioxyde de cobalt-lithium, d'autres composés comme le manganèse-lithium, le nickel-lithium-manganèse-cobalt, le nickel-lithium-cobalt-aluminium ou le phosphate de fer-lithium sont toutefois utilisés comme matériau cathodique.
Actuellement, ce sont principalement les batteries au lithium qui sont utilisées dans les véhicules électriques, sous différentes formes.
Dans un accumulateur au lithium, les ions de lithium se déplacent d'une électrode à l'autre à l'intérieur de l'accumulateur lors de la charge et de la décharge. Ce faisant, ils traversent le séparateur qui sépare les deux électrodes. Le séparateur est conçu de telle sorte qu'il laisse passer les ions sans problème mais bloque les électrons.
Processus de charge
Lors du processus de charge, la tension de charge appliquée retire des électrons de la cathode via le circuit électrique extérieur et les met à disposition à l'anode. Les ions de lithium libres se déplacent ainsi de la cathode vers l'anode en passant par le séparateur. Là, ils absorbent les électrons et sont stockés dans la structure de graphite. Lorsque tous les ions de lithium se trouvent du côté de l'anode, la batterie est entièrement chargée.
Processus de décharge
Lors du processus de décharge, les électrons passent par le circuit extérieur de l'anode à la cathode en passant par le consommateur. Les ions de lithium chargés positivement, qui ont cédé leurs électrons à l'anode, retournent alors à la cathode en passant par le séparateur.
La cathode est ainsi en mesure de réabsorber les électrons provenant du consommateur.
La puissante technologie des batteries au lithium offre de nombreux avantages. Les batteries sont petites, légères et incroyablement puissantes. Pour pouvoir profiter de ces avantages sur une longue période, il faut tenir compte de quelques points importants. Les batteries sont en effet extrêmement sensibles à la décharge profonde et à la surcharge. C'est pourquoi les batteries au lithium sont surveillées en permanence par un système électronique lors de la charge, mais aussi plus tard lors du fonctionnement.
Afin de ne pas décharger trop profondément la batterie, le conducteur d'une voiture électrique est informé en permanence de l'autonomie résiduelle effective. Il a ainsi suffisamment de temps pour trouver des possibilités de recharge adaptées à son véhicule électrique.
Comme la batterie déchargée est capable d'absorber un courant de charge très élevé, celui-ci doit être limité plus ou moins fortement. Cela est nécessaire pour ne pas surcharger la prise du chargeur.
La limitation du courant est réalisée par la régulation de la tension de charge (U). Celle-ci est automatiquement choisie de manière à ce que le courant de charge maximal autorisé (I) passe. Toutefois, cela n'est possible que jusqu'à un certain point. En effet, la tension de charge ne doit pas dépasser une valeur maximale prédéfinie par élément de batterie.
Lorsque cette valeur est atteinte, la tension n'est plus régulée à la hausse. Le courant de charge va alors diminuer de plus en plus au fur et à mesure que la charge résiduelle augmente. Ce n'est que lorsque le courant de charge a atteint sa valeur minimale que la batterie est entièrement chargée. C'est aussi la raison pour laquelle les processus de charge rapide ne rechargent jamais complètement une batterie au lithium. Dans la pratique, on atteint ainsi environ 80% en peu de temps.
A partir du moment (t1), la tension de charge (U) est limitée afin d'éviter que le courant de charge (I) ne soit trop important. Selon l'état de charge, la tension doit être lentement augmentée afin que le courant de charge maximal circule entre (t1) et (t2).
Au moment (t2), la tension de charge maximale par cellule est atteinte. La tension de charge est à présent maintenue à une valeur constante. Au moment (t3), le courant de charge a atteint sa valeur minimale et la batterie est chargée à 100%.
Le processus de recharge d'une voiture électrique dure nettement plus longtemps que faire le plein de 50 litres d'essence ou de diesel. La durée réelle de la recharge d'une voiture électrique dépend de nombreux facteurs différents.
Maintenant que l'on a déterminé les critères jouant un rôle important dans la recharge d'une voiture électrique, il est relativement simple de calculer le temps de recharge. Le calcul se base sur un état de charge visé de 80% car une recharge supplémentaire jusqu'à 100% dure nettement plus longtemps en raison de la diminution constante du courant de charge.
Déduisez de l'état de charge visé de 80% la charge restante actuelle de 20% par exemple. Vous obtenez alors une valeur différentielle qui décrit la quantité de charge supplémentaire nécessaire. Dans notre exemple de calcul, la différence est de 60%.
Si la batterie du véhicule a une capacité de 36 kilowattheures (kWh), les 60% correspondent à environ 21,6 kWh qui doivent être rechargés. Pour compenser les pertes dues au processus de charge, il convient d'ajouter 10%, ce qui porte la valeur à 23,8 kWh.
Cela dépend maintenant de la puissance mise à disposition par la connexion de recharge. Pour cela, il faut diviser la valeur de 23,8 kWh à recharger par la puissance de la prise de recharge.
Pour une station de charge de 3,7 kW, le temps de charge s'élève à 6,43 heures.
Pour une station de charge de 7,4 kW, le temps de charge s'élève à 3,21 heures.
Pour une station de charge de 11 kW, le temps de charge s'élève à 2,16 heures.
Pour une station de charge de 22 kW, le temps de charge s'élève à 1,08 heure.
Une charge lente ou rapide est-elle meilleure pour la batterie ?
La pratique a montré qu'il est plus doux de charger la batterie lentement plutôt que rapidement. Ce n'est pas un problème si le véhicule est chargé pendant la nuit, par exemple. Mais sur les longs trajets, il est impossible d'éviter une charge rapide de temps en temps. Mais l'intensité du courant joue également un rôle lors de la décharge. Plus le courant de décharge est faible, plus la batterie est préservée. C'est pourquoi il convient d'éviter autant que possible les fortes accélérations inutiles. Une utilisation prudente de l'accélérateur a également un effet positif sur l'autonomie.
Comment le véhicule reconnaît-il quand la charge peut être lente ou rapide ?
Le chargeur proprement dit est installé dans le véhicule. Lors du raccordement à la station de recharge, le chargeur reçoit de l'électronique de la borne de recharge l'information sur l'intensité maximale du courant. Si l'on est en déplacement et que l'on ne dispose que d'une prise secteur pour la recharge, il faut utiliser un câble de recharge avec boîtier de contrôle intégré. Le boîtier de contrôle sait quelle prise secteur est utilisée et quelle est la charge maximale autorisée en règle générale, grâce à l'adaptateur de prise correspondant. De plus, les boîtiers de contrôle et les bornes de recharge garantissent que la tension de recharge n'est libérée que lorsque la fiche du câble de recharge est connectée au véhicule.
Faut-il recharger immédiatement après chaque trajet ?
Les batteries au lithium n'aiment pas les décharges profondes. Mais une charge constante à 100 % n'est pas non plus bénéfique pour les batteries. La fenêtre de charge idéale se situe entre 10 et 90 %. Si un véhicule n'est utilisé que pour de courts trajets de quelques kilomètres, il est préférable de ne pas recharger la batterie immédiatement après chaque trajet. Pour les trajets plus longs, il est préférable de planifier le processus de charge de manière à ce qu'elle soit chargée à 100 % juste avant de prendre la route.
Quelle est la différence entre une wallbox à domicile et une borne de recharge publique ?
La wallbox domestique ou, mieux encore, du garage fonctionne avec une tension alternative. Le chargeur du véhicule doit la convertir en tension continue pour pouvoir charger la batterie. La puissance de charge de la plupart des wallboxes est de 22 kilowattheures (kWh) maximum.
Les stations de recharge publiques dans les parkings, où les véhicules peuvent rester plus longtemps, fonctionnent également avec une tension alternative. C'est donc le même principe que la wallbox à la maison. Elles ont toutefois des puissances de charge nettement plus élevées. Les stations de recharge rapide, qui se trouvent par exemple sur les aires d'autoroute, chargent en partie avec une tension continue. Dans ce cas, le chargeur est intégré à la borne de recharge et le courant est directement acheminé vers l'accumulateur du véhicule.