Discussion sur la Panasonic NCR18650B

La batterie des Tesla modèle S sont composées de batteries Lithium Ion de type 18650B.  À moins d’être techniquement férus, pour plusieurs, c’est l’équivalent du Klingon.  Essayons de vulgariser un peu (ou bienvenue au cours de Klingon 101 😉  )
Nous avons la chance de pouvoir consulter la feuille de spécifications du fabricant, Panasonic.  Cette feuille nous fourni les renseignements essentiels pour bien utiliser ces batteries.
Spécifications de la NCR18650B
Prenez une petite seconde pour ouvrir la feuille dans le lien donné.
Quelques petites définitions: la Capacité, C, de la batterie est en mAh (milli Ampère heure).  La Capacité est aussi utilisée pour fournir les intensités de courant de charge et de décharge.  Ainsi, le courant de charge (Charging) est de 1625mA.  Comme la capacité est de 3250mAh, on peut voir ou calculer que le courant de charge doit être limité à 1625mA ou 1625/3250 = 0,5C    Toujours dans la charge, on indique CC-CV ce qui est l’acronyme de Constant Current – Constant Voltage.  Ainsi, une charge doit se faire avec un courant maximum limité à 1625mA par cellule, et quand la cellule atteint 4.20V, le chargeur doit rester à un voltage constant de 4.20V, ce qui va faire diminuer le courant progressivement.  On doit arrêter la recharge quand le courant atteint 65mA.
Effet de température: il y a la note importante suivante: At temperatures below 10 Celcius, charge at 0,25C.  Ceci indique que quand il fait froid, il faut recharge à un courant de recharge diminué de moitié.  Sur les Tesla modèle S dont la batterie est froide, on peut remarquer que le freinage régénératif est limité ou même indisponible.  Au fur et à mesure que le pack se fait réchauffer, la recharge via le freinage régénératif redevient disponible.  La Volt a le même comportement, avec un pack froid (non branché et l’auto laissée au froid intense pour la nuit).
Sur le graphique Charging characteristics, on voit ainsi le voltage (en bleu) de la cellule.  Il monte progressivement, à partir de 3.30V jusqu’à 4.20V et il reste alors stable à cette tension, parce que le chargeur est limité à exactement 4.20V lorsqu’il passe de la phase CC à la phase CV de la recharge.  Le courant, (en vert) est lui fixe à C/2 ou 1625mA jusqu’à ce que le voltage atteigne 4.20V, aux alentours de 105 minutes.  Le courant se mets alors à décroitre à partir de ce moment.
En rouge, on a la quantité d’énergie en mAh qui est alors stockée dans la cellule.  On voit qu’au début de la charge, on a 0 mAh de stocké et rendu au changement à 105 minutes, la cellule a stocké environ 3000mAh.  entre 105 minutes et la fin de la recharge à 180 minutes, l’énergie stockée passe de plus en plus lentement de 3000 à 3200 mAh.  On a donc moins de 10% d’énergie qui s’accumule dans les dernières 75 minutes de charge.  Si on transpose cela aux voitures électriques, vous avez surement remarqué que la vitesse de recharge ralentit, quand la batterie devient plus rechargée.  Vous en avez maintenant l’explication, liée aux caractéristiques des cellules lithium-ion.
 
Passons maintenant au graphique de cyclage.  (Cycle Life characteristics)
Pour évaluer le nombre de cycles que la cellule peut effectuer, on la charge à un courant maximal de 0.5C et on la décharge à un courant de 1C à 25 degrés Celcius et on compte le nombre de cycles de charge/décharge jusqu’à ce que le la cellule atteigne une capacité de 70% de sa valeur initiale soit 2250mAh.  Dans le cas de ces cellules c’est environ 500 cycles.
500 cycles? mais c’est (relativement) peu!  Effectivement.  Mais ce qui n’apparaît pas sur cette page de caractéristiques, c’est que quand on fait des charges et décharges partielles, la dégradation de capacité de la batterie devient alors bien moindre.  Ainsi, on peut faire plus de 40 000 charges/décharges de 30% à 70% en niveau d’énergie stockée.  De même, faire plus de 35 000 charges / décharges pour des niveaux de 20% à 80%, atteindre 28000 charges décharges pour des niveaux de 10% à 90%.  15000 charges décharges pour de 8% à 92%, 7500 charges décharges à des niveaux de 6% à 94%, et un réduction de capacité qui s’accélère jusqu’à 500 cycles pour des niveaux de 0% à 100%.
Cela nous explique les stratégies de cyclage partiel des batteries des fabricants:  GM limite de 17% à 80% les niveaux de stockage d’énergie pour la Volt.  Nissan limite à 90% (4.15V) la charge max. de la Leaf.  Tesla invite les propriétaires à limiter à 90% maximum leur charge maximale, et souhaite que les propriétaires ne déchargent pas leur batterie trop profondément.   Toutes ces stratégies fonctionnent et permettent d’augmenter significativement les nombre de cycles des batteries.  Dans le cas de la gestion d’énergie de ma Tesla, je tente de limiter ma charge maximale sous les 90%, et de garder ma décharge au-dessus de 20%.  Depuis mon achat, je n’ai pas constaté de dégradation de capacité en suivant cet algorithme.  La Volt 2012 de ma femme ne montre pas non plus de dégradation de capacité.  En fait, aucune Volt n’a encore montré de dégradation de capacité sous les 70% de la capacité initiale ce qui aurait découlé en réclamation de garantie. On peut donc se fier à la fiabilité de nos batteries au Lithium!
 
Effet de la température lors de la décharge:
Le graphique Discharge Characteristics (by Temperature) nous donne la quantité d’énergie qu’on peut obtenir selon la température ambiante.  Ainsi à 40 Celcius, on obtient le plus d’énergie (3250mAh) et à -20Celcius le moins d’énergie (2200mAh).  Ceci explique qu’en période froide, l’autonomie disponible sur les voitures électriques est affectée par une batterie trop froide.  Pour compenser cette caractéristique, plusieurs fabricants ont intégré à leur batterie un système de gestion de la température.  La batterie est ainsi réchauffée l’hiver et refroidie l’été.  Les batteries au lithium-ion se dégradent à des températures dépassant 25 Celcius.  On a pu le voir dans le cas des premières Nissan Leaf qui ont été utilisées dans les climats très chauds du sud des USA.  Ces voitures ont eu une dégradation de capacité de leurs batteries plus rapide que prévue.  Il est recommandé de choisir un véhicule électrique qui a un système de gestion thermique, pour obtenir la meilleure capacité et durée de vie de leurs batteries.
 
Caractéristique de décharge
Sur le dernier graphique, on peut voir que la quantité totale d’énergie que la cellule va fournir va atteindre entre 3200mAh (2C, 1C, 0.5C) à 3300mAh (0,2C).  Les batteries au Lithium Ion n’ont pas l’effet Peukert qui affligent les batteries acide-plomb.  Ainsi, avec un courant de décharge de 2C ou 6400mA, on va obtenir pratiquement toute l’énergie qui a été mise dans la cellule au même titre qu’avec un courant de décharge moins intense.