De l’évolution des batteries pour vélo électrique

La qualité des batteries pour vélo électrique a connu une progression significative ces 10 dernières années. Ces belles améliorations reposent à la fois sur la progression des densités énergétiques des chimies utilisées mais aussi sur l’industrialisation de la filière et les progrès de l’électronique embarquée.

1. L’évolution de la densité énergétique

Les technologies des batteries lithium progressent avant tout en densité énergétique. Il y a 10 ans, les chimies proposées par les industriels avaient des densités énergétique de l’ordre de 100 Wh/kg. On trouve aujourd’hui de nombreuses cellules à plus de 200 Wh/kg !

Cela signifie qu’une batterie de 600 Wh qui correspond à une très forte capacité dans le domaine du vélo électrique peut peser de l’ordre de 3 kg. Plutôt qu’une surenchère, parfois marketing, au nombre de Wh dans les batteries, nous pensons que des batteries de 200 Wh de 1kg pourraient être extrêmement pratiques pour les personnes ne pouvant pas stocker en permanence leur batterie sur leur vélo et donc ayant besoin de la porter pour la garder avec eux. Dans cette gamme on trouvera par exemple la batterie bouteille 200 Wh pour VAE (1,3 kg et environ 0,5L) de chez Keyde ou encore le range extender de BMZ.

Batteries Keyde

La batterie Keyde conçu à l’image d’une gourde d’eau (200wh,1.3 kg)

Il faudra par contre avoir une chimie sélectionnée en fonction des courants de décharge prévus pour éviter une surchauffe des cellules et un vieillissement accéléré. Il existe en effet tout une gamme de chimies proposant des compromis entre densité de puissance et densité d’énergie.

Compromis entre la densité énergétiqu et la densité de puissance

Il existe un compromis entre la densité énergétique (l’énergie que peut fournir une batterie durant un trajet) et la densité de puissance (la puissance que peut délivrer instantanément une batterie sans perdre significativement en rendement).

Par ailleurs, les technologies qui proposent aujourd’hui des densités d’énergie supérieurs à 250 Wh/kg sont encore à l’état de prototype de recherche et il nous semble donc optimiste d’espérer des bouleversements significatifs durant les 10 prochaines années.

2. Les progrès dans l’industrialisation

On regrettera que si le gain en densité d’énergie a été significatif, celui en durée de vie et nombre de cycle a été peu marqué. Par contre des progrès fantastiques ont été réalisés dans la calibration de la qualité des cellules. Finie l’époque où chaque cellule avait des capacités variants de 10% dès la sortie d’usine et des vieillissements radicalement différents. Cela a eu un impact très positif sur la durée de vie des batteries.

En effet, un pack batterie équipé d’un Battery Management System (dont nous parlons plus longuement ci dessous) standard s’aligne toujours sur l’élément le plus faible. Cela signifie que si un élément est à 50% de sa capacité initiale, tout le pack est réduit à 50% de sa capacité initiale. La bonne homogénéité des cellules aujourd’hui permet de profiter de la capacité réelle de la somme de toutes les cellules plus longtemps.

Standard de cellules pour batteries

Le format 18650 (un cylindre de 1,8 cm de diamètre sur 6,5 cm de hauteur) est un standard très répandu qui équipe les batteries d’ordinateurs portables, de voitures électriques, de vélos électriques… Cette standardisation permet la production en grand volume d’un type de cellule entraînant une baisse des prix graduelle et une homogénéité de la qualité (Source).

3. Les progrès de l’électronique

Chaque batterie est équipée d’un organe électronique appelé Battery Management System (BMS) gérant d’une part la sécurité du pack (température, surcharge, décharge profonde…) mais également le rééquilibrage de l’état de charge entre les éléments en série.

Par le passé, nous avons expérimenté des BMS passifs avec une trop faible puissance de décharge. En effet, durant la charge d’un pack batterie, pour rééquilibrer l’état de charge entre les cellules en série, le BMS décharge les cellules les plus chargées par dissipation thermique. Si la puissance de décharge d’une cellule est trop faible, le rééquilibrage peut-être extrêmement lent. De ce point de vue, il ne faut pas hésiter à laisser sa batterie branchée 48h de temps en temps pour garantir un rééquilibrage complet de l’état de charge de toutes les cellules du pack.

De nouveaux BMS sont capables d’estimer l’état de charge de chaque cellule avant la pleine charge et ainsi effectuer un rééquilibrage passif dès le début de la recharge. D’autres BMS, dits à rééquilibrage actifs, permettent de transférer l’énergie d’une cellule à une autre à tout moment. Cela permet de profiter de la capacité totale des cellules de la batterie même en cas d’utilisation de cellules ayant subit des vieillissements hétérogènes. En fusionnant le BMS et le contrôleur de puissance, il est possible d’aller encore plus loin, mais les constructeurs gardent leurs secrets pour eux !

Enerstone

Enerstone, start-up Grenobloise, a développé une nouvelle génération de BMS permettant un rééquilibrage actif. C’est-à-dire un échange d’énergie entre cellules à tout moment. Cela ralentit significativement le vieillissement des batteries. A notre connaissance, ce type de BMS n’est pas encore accessible en terme de prix pour être intégré à une batterie pour vélo électrique mais nous espérons que le passage à l’échelle rende cette intégration possible.

4. Des efforts d’éco-conception à l’avenir ?

Un point qu’il nous semble important d’évoquer est que la conception mécanique des batteries est encore trop hétérogène.

En effet, celles-ci étant polluantes, il faut en conséquence prévoir un recyclage le plus efficace possible. Il nous semble donc particulièrement pertinent de développer des solutions modulaires pour pouvoir réutiliser les modules de batteries dans d’autres applications (domotique, etc).

Cette approche est encore aujourd’hui peu mise en avant, mais plus nous seront nombreux sur eBikeMaps, plus nous aurons la possibilité de faire valoir nos valeurs et nos solutions 😉 A noter que des solutions efficaces existent également pour recycler la matière et nous sommes même leader en France avec la société Récupyl.

Point positif, il existe déjà une cotisation obligatoire pour la vente de chaque batterie en France, afin de prévoir le coût de retraitement des déchets générés. Notre vision est que dans le futur, il serait avantageux de standardiser un format de batterie 200 Wh et d’embarquer 1, 2, ou plusieurs batteries en fonction du besoin de chacun.

Batteries modulaires Tyva

L’adoption d’une conception mécanique adaptée comme le propose Tyva permettrait de faciliter la seconde vie des batteries dans des applications moins exigeantes en densité énergétique ou de remplacer directement des cellules…

5. eBikeMaps fera évoluer le besoin en batteries !

eBikeMaps a pour vocation d’aider tout un chacun à utiliser pleinement les capacités de sa batterie, cela nous semble représenter un gain important d’autonomie, simplement par l’usage.

En effet, par la bonne gestion de l’énergie et la garantie de destination de notre application de navigation, nous estimons augmenter l’autonomie de 20 à 30% en pratique. Il est également possible de trouver de nombreux points d’étapes avec recharge possible sur notre carte. Nous pensons donc que notre calculateur est parfaitement complémentaire au progrès graduel des batteries pour toujours améliorer les valeurs d’usage du vélo électrique.

Vélo avec batterie gourde

Des batteries comparables en taille et en poids à un bidon d’eau d’1L sont déjà possibles et pourraient suffire à couvrir un grand nombre de besoins. eBikeMaps permet à chacun de bien identifier son besoin et d’exploiter 100% des capacités de sa batterie (Source).

9 réflexions au sujet de « De l’évolution des batteries pour vélo électrique »

  1. Belle synthèse, merci.
    Il manque juste un axe d’analyse intéressant me semble-t-il : l’évolution des prix.
    Depuis 10 ans voire plus, on nous fait miroiter l’effondrement du prix des batteries, qui ferait se démocratiser les véhicules électriques et doubler les autonomies à prix constant…
    Dans les faits, lorsque je regarde le prix actuel d’une batterie Lithium pour VAE, à capacité énergétique similaire, j’ai l’impression qu’il n’est pas fondamentalement différent de celui d’il y a 7 ou 8 ans. Du moins pour des revendeurs situés en France. Alors qu’en est-il concrètement du prix des batteries, aux différentes étapes de son circuit de commercialisation ?

    • Bonjour.

      En effet, le gain principal ces dernières années est en terme de densité énergétique et fiabilité. Les industrielles ont eu a gérer des grosses difficultés en terme de SAV sur les premières générations de batteries et sont donc maintenant prudents. Aujourd’hui, les batteries même a des prix élevés ne semblent pas constituer pas un gagne pain important pour eux. Cependant, le prix au wh évolue tout de même favorablement depuis 10 ans même si il ne faut pas attendre de miracle à cause des coûts fixes liés au transport, à l’électronique et au casing.

      On pourra également remarquer que du moment où la batterie est utilisée quotidiennement est fiable, on tombe sur des prix au kilomètre très raisonnables (2–3 centimes par kilomètre).

  2. Bonjour
    Et pour un voyage a l étranger en avion les batteries pour. Vae ne sont pas acceptées.y a t il un contenaire spécial pour le transport? Merci

  3. Bonjour.

    Pour les voyages en avion, les solutions viendront via des batteries modulaires avec des modules inférieurs à 100 wh. En effet, il est autorisé de transporte plusieurs modules de 100wh mais il n’est pas autorisé de transporter un module de plus de 100 wh…

  4. Qu’en est-il des possibilités de recharger en roulant?
    Nos voitures ont un alternateur qui recharge constament la batterie. Pensez-vous qu’on puisse un jour utiliser un genre de dynamo qui rechargerait nos batteries lors des parcours plats ou en descente?
    Cela augmenterait sans doute l’autonomie de nos machines, non?

    • Cette technologie existe déjà et dépend du type de moteur.
      Il faut un moteur situé dans la roue, et à entraînement direct (et non pas réducté).

      En revanche, pour qu’il y ait recharge, c’est à dire génération de courant électrique, il faut obligatoirement que le moteur freine le vélo.
      Pour que le moteur recharge la batterie en dehors des périodes de freinage classique, il faudrait donc que le cycliste pédale “contre” le moteur (pourquoi pas pour certaines utilisations d’ailleurs, mais la plupart du temps le cycliste cherche plutôt une aide ;).

      Mais il ne faut pas oublier que contrairement à une voiture, un vélo (même électrique) à une énergie cinétique beaucoup plus faible due à sa faible masse, et que donc l’énergie à récupérer n’est pas gigantesque.

      En revanche, au delà de la récupération d’énergie, le frein moteur a un très grand intérêt en terme de sécurité: par exemple en bridant le vélo à une vitesse maximum, ce qui peut être très pratique lors de mauvaises conditions (forte descente, route mouillée, neige, verglas…) et donc garantir une meilleure sécurité au cycliste.

    • Ce serait effectivement bien mais:
      — Pour recharger une batterie il faut un courant bien calibré avec des caractéristiques précises.
      — Les courants produit par le moteur réversible sera forcément irrégulier surtout s’il provient du pédalage, donc le convertisseur qui sera nécessaire n’aura pas un rendement extraordinaire.
      Les circuits de conversion d’énergie efficaces sont très complexes si la source n’est pas propre. Aujourd’hui ces type de circuit comportent une grosse part d’électronique numérique pour contrôler la conversion, ce qui génère des coûts d’étude élevés, probable que ceci décourage les industriels. Cependant le principe de l’hybridation est une voie d’étude que certain explorent.

      • Ma première “électrification” fut un Bionx (roue arrière). Cette particularité me manque (moteur dans le pédalier actuellement). Initialement, je pouvais lancer 4 niveaux de recharge de batterie en freinant à la console voir aux cocottes (système d’aimant qui donnait l’info à la console). Avec une jolie descente de 1,5km à raison de 6%, les freins étaient accessoires.

  5. Bonjour,

    à quand des connecteurs sur le vélo standards ! genre gros USB par exemple ça permettrait effectivement d’échapper à l’achat obligatoire de la batterie de la marque, pour exemple j’ai un Lapierre je ne peu mettre qu’une batterie Lapierre et j’ai aussi un haibike et c’est idem…alors ? pas moyen de faire jouer la concurrence.

    Merci

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