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En Vedette
Le vieillissement des batteries d’autobus électriques

Un enjeu économique et de maintenance de première importance.


8 juin 2021
Par Par Pierre Deschamps

Crédit photo: Volvo.

Bientôt, dans nos villes, pour le transport collectif comme pour le transport scolaire, on verra rouler de plus en plus d’autobus électriques. Si cette solution est avantageuse sur le plan environnemental, principalement en matière de réduction des gaz à effet de serres (GES) et de nuisances sonores, les exploitants de flotte d’autobus électriques sont encore, sur bien des plans, en mode apprentissage. L’un des enjeux auxquels ils font face est d’ailleurs le vieillissement de la batterie qui équipe chaque véhicule.

C’est d’ailleurs ce sujet qui est au cœur des travaux de Adnane Houbbadi, qui a soutenu une thèse en janvier 2020, à l’université de Lyon, qui a pour titre « Optimisation multicritère de la gestion de la recharge d’une flotte de bus électriques ».

D’entrée de jeu, il souligne que : « Les flottes de bus électriques nécessitent des performances élevées et une longévité maximale des batteries dans des conditions de température et de fonctionnement très variables ». Sans détour, il met aussitôt le doigt sur l’enjeu principal : « … les exploitants de flottes de bus sont soucieux de réduire les coûts d’exploitation et de maintenance. Ces coûts sont sensibles au coût de vieillissement de la batterie qui représente une donnée économique importante pour le déploiement de flottes de bus électriques ».

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Les travaux d’Adnane Houbbadi sont fondés sur « une approche méthodologique pour l’optimisation de la recharge d’une flotte de bus électriques au dépôt. Cette approche est basée à la fois sur la planification de la recharge et sur la modulation de la puissance afin de minimiser un critère donné ou plusieurs critères en même temps (ex : le coût de la recharge, la puissance efficace, le vieillissement des batteries…) ». Plus précisément, l’approche en question « utilise des méthodes d’optimisation exactes ou des méta-heuristiques selon le type d’optimisation (mono-objectif ou multi-objectif) et selon le critère, tout en tenant compte des contraintes liées aux conditions d’exploitation du bus, aux infrastructures de recharge ainsi qu’au réseau électrique ».

À cette fin, l’auteur a développé un modèle électrothermique et de vieillissement des batteries lithium-ion qui s’appuie sur des modèles existants, soit un « modèle “multi- mécanisme de vieillissement ” basée sur la loi d’Eyring [qui] permet de prendre en compte plusieurs phénomène de vieillissement pour des batteries de type LFP. Ce modèle peut s’adapter à différentes technologies de batterie ».

De fait, comme le vieillissement des batteries se traduit par une dégradation de leurs performances qui implique soit une augmentation de l’impédance soit une perte de capacité de stockage et qui se traduit par une perte de puissance et une diminution de l’énergie embarquée, il est impératif d’identifier « les facteurs de vieillissement [qui] sont multiples et [qui sont] généralement interdépendants. Ils concernent tous les composants de la batterie et dépendent du mode de fonctionnement ».

Au nombre des mécanismes de vieillissement de l’électrode négative, mentionnons la formation et la croissance de l’interface à électrolyte solide – qui est reconnue comme le mécanisme de vieillissement dominant –, la dégradation de l’électrode négative due au changement de structure, le dépôt de lithium métallique. Au niveau de l’électrode positive, on observe souvent la perte de matière active provoquée par les changements de phase lors des intercalations/dé-intercalations de lithium ou par le désordre de la structure cristalline. Au niveau des composants, on note la dégradation de l’électrolyte, du séparateur, des collecteurs de courant.

De façon général, « le vieillissement de la batterie peut être dissocié en deux types : le vieillissement au repos (calendaire) et le vieillissement en cyclage. Chaque type définit les phénomènes causés par différentes utilisations de la batterie ».

Si le vieillissement calendaire concerne la dégradation causée durant la non-utilisation de la batterie, « le facteur principal est la température de stockage. Les hautes températures ont tendance à accélérer le développement de ces phénomènes. Le principal phénomène de vieillissement à haute température est la formation et la croissance de l’interface à électrolyte solide ».

L’autre facteur principal du vieillissement calendaire est le niveau d’état de charge de la batterie pendant le stockage (relative à la tension de la cellule). Ainsi, à température égale, mais pour différents états de charge de la batterie, les cellules ne vieillissent pas de la même manière. En général, « le vieillissement est plus important à des états de charge de la batterie élevés, mais l’influence de l’état de charge de la batterie est dans la plupart de cas non linéaire et très variable d’une technologie à une autre ».

En ce qui a trait au vieillissement en cyclage, il « se produit lorsque la batterie est en charge ou en décharge. De nombreux facteurs sont impliqués dans ce type de vieillissement. Le facteur récurrent […] est la température […] Le vieillissement en cyclage peut être influencé par d’autres facteurs tels que les régimes de courant de charge/décharge. Ce mode de vieillissement est le plus souvent mesuré (et modélisé) en fonction du nombre de cycles subis par la batterie […] Enfin, l’échauffement de la batterie dû au passage du courant peut induire une augmentation de la température de la batterie lors du cyclage et peut ainsi accélérer les processus de dégradation ».

En outre, les stratégies de recharge qui peuvent avoir un impact important sur la durée de vie des batteries des autobus électriques. À titre informatif, l’auteur présente les trois stratégies de recharge typiques. La recharge « gloutonne » qui consiste à recharger la batterie à puissance maximale dès le retour d’un autobus au dépôt, en ignorant les coûts de recharge et le vieillissement de la batterie, jusqu’à ce qu’elle soit complétement chargée. La recharge « moyenne » quand la batterie est rechargée à puissance moyenne pendant toute la durée de la recharge. La recharge « retardée » qui fait en sorte que la recharge à puissance maximale du bus est décalée le plus tard possible.

Pour pallier les écueils de vieillissement propres chacune de ses stratégies de recharge, Adnane Houbbadi utilise une analyse technico-économique qui le conduit à proposer une stratégie « optimale » qui est la seule stratégie qui permet de s’adapter aux différents scénarios été/hiver. Cette stratégie établit un équilibre avantageux entre les effets de l’état de charge de la batterie et de la température pour minimiser le vieillissement de la batterie.

Globalement, « l’analyse technico-économique a montré que pour des conditions normales de fonctionnement (T=25 °C) avec de légères contraintes, la stratégie optimale est la stratégie la plus rentable comparée aux stratégies de recharge de référence. D’après notre scénario, la stratégie de recharge optimale permet d’utiliser la batterie pendant neuf ans d’exploitation avant de devoir la changer. De plus, […, ce scénario a permis aussi de faire des économies sur le coût de la recharge ».

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-02537873

 


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