Recharge – Puissance et C-Rate – L’utopie des 500km d’autoroute rechargés en 10 minutes

[Shivan64]

Bonjour à tous,

 

A force de lecture et de discussion sur le sujet de la recharge des véhicules électriques, et notamment la recharge rapide, force est de constater que les limites physiques et les ordres de grandeurs ne semblent pas maitrisés par tous.

 

Lorsqu‘on parle recharge rapide, on parle grands trajets. Dans ce volet important du VE, car c’est ce qui rend le véhicule polyvalent, la vitesse de charge et l’autonomie sont alors au cœur du débat…

Oui mais on passe souvent de la vitesse de charge à… puissance de charge et ce même dans les articles de presse. Or une vitesse ne s’est jamais mesurée en kW… (lorsque le distingo entre kW et kWh est maitrisé…)

 

On parle donc de puissance de recharge, au mieux de courbe de recharge, parfois tout ceci est balayé d’un revers de main par l’efficience du véhicule ou par la taille de la batterie.

 

1- Pourquoi la puissance n’entre pas en jeu au premier ordre…

 

On ne parle bizarrement jamais d’un paramètre bien connu des amateurs de modélisme : Le Taux de Charge ou C-RATE en anglais.

 

Ce taux permet de mettre en relation la puissance de charge et la capacité de batterie.

Taux de Charge = Capacité / Puissance de charge.

 

Il est coutume de recharger ses Lipo à un taux de charge de 1 pour ne pas trop solliciter la cellule.

En effet, plus une batterie est grosse plus elle peut accepter une puissance de charge importante.

Raison pour laquelle comparer des puissances de charge de batteries de capacité identiques ne sert à rien… même si c’est ce qui est communément réalisé partout.

 

Pour apprécier et comparer l’efficacité d’une recharge de batterie, il faudrait comparer non pas la courbe de charge mais la courbe du taux de charge.

 

Cette courbe permet de mettre en évidence la « qualité » de la batterie et de son management (régulation thermique, etc.) en permettant de maintenir le plus longtemps possible un taux de charge le plus élevé possible.

 

L’autre avantage de cet indicateur est qu’il est lié, par définition, à la vitesse de charge :

- Un taux de charge de 1 constant indique une recharge de 0 à 100% en 1 heure

- Un taux de charge de 2 constant indique une recharge de 0 à 100% en 30 minutes

Etc. et ce quel que soit la taille de la batterie.

 

--> Comparer des taux de charge, c’est donc comparer directement le temps d’attente à une borne indépendante de la taille de la batterie de chaque véhicule.

 

Exemple avec Tesla :

Courbes de Charge:

Pas top la courbe de charge de la Model 3 SR+….

 

Courbe de Taux de Charge des mêmes véhicules :

Et pourtant, c’est celle qui charge le plus vite !

--> Plus l’aire sous la courbe est importante, plus la recharge est rapide.

 

On remarque que la courbe de taux de charge est globalement équivalente pour chaque modèle alors que la courbe de puissance de charge ne le montrait pas.

 

Courbes de Charge de plusieurs VE pour information et comparaison :

Le Tesla Model Y BYD et la Ioniq 6 (et toute la gamme sur plateforme 800V Kia/Huyndai) dominent le débat.

Le Hyundai Kona (version 2020) ferme la marche.

 

2- Les performances des batteries ont-elles grandement évoluées ces dernières années ?

 

Je ne suis pas chimiste donc je ne répondrais pas directement à cette question.

Mais un modèle ancien pose quand même des questions avec ses performances hallucinantes de recharge en DC pour l'époque... Il s’agit de la Ioniq28 !

 

Voici ce que cela donne avec les très bons élèves actuels (Model Y en BYD, Ioniq 6, MG 4) :

On remarque que la ioniq 28 (sortie 2017…) ne s’en sort pas mal même face à la plateforme 800V de Hyundai/Kia et ce malgré sa gestion thermique de la batterie par air.

Cette batterie devait probablement faire appel à un fort taux de Cobalt à l’époque pour tenir ces taux de charge avec une gestion thermique limitée.

 

Cela fait réfléchir quand on la compare à l’offre des VE actuels…:

 

 

La ioniq 28 possède une vitesse de charge bien supérieure à un grosse partie du marché VE actuel !

 

3 - Pourquoi le rêve des 500km d’autonomie sur autoroute réchargés en 10 minutes est un rêve

 

Vous avez surement tous déjà entendu des personnes qui ne souhaitent pas renoncer à leur véhicule thermique pour passer à l’électrique tant qu’un VE ne permet pas de faire le plein aussi vite qu’en thermique. Sans rentrer dans le débat de savoir si cela est utile ou non, qu’est-ce que cela implique physiquement pour un plein de 500km d’autoroute.

 

Notez que recharger en 10 minutes est 2 à 3 fois plus long que le plein d’un thermique… mais déjà cet objectif semble inaccessible… et même les 15 minutes entrainent des difficultés pour qui souhaite également une autonomie importante.

 

En considérant une courbe de recharge constante de 0 à 80% puis linéaire de 80% à 100%, voici ce que devra « encaisser » la batterie en terme de taux de charge C-Rate :

 

On remarque que :

-  le taux de charge nécessaire pour une recharge en 10 minutes est largement supérieur à ce qui se fait actuellement et que les « nouvelles batterie » ont un sacré fossé à traverser ! (C-Rate : 4.8 !)

- le taux de charge nécessaire pour une recharge en 15 minutes est quasiment atteint pour les meilleurs modèles actuels. (C-Rate : 3.2)

 

Mais, qu’est-ce que cela implique en terme de puissance de recharge et donc au niveau des infrastructures de recharge ?

 

En prenant une consommation autoroutière de 22kWh/100km et une autonomie de 500km récupérée entre 10 et 80%, nous avons donc besoin d’une belle batterie de 157kWh utiles.

 

Les puissances de charge sont donc les suivantes :

- Pour une recharge en 10 minutes : 754kW

- Pour une recharge en 15 minutes : 503kW

 

Les courbes de charge par rapport aux meilleurs modèles actuels :

 

Autant dire de suite que le coût du kWh ne sera pas bon marché avec de telles puissances disponibles sur chaque chargeur !

 

Je pense que l’on sera dans la majorité d’accord pour dire que recharger 500km d’autoroute en 10 minutes n’est de toute façon pas utile. Mais il me semblait intéressant d’effectuer un petit calcul de grandeur pour mettre en perspective les souhaits et rêves de certains.

 

Egalement, ce dernier graphe montre que la recharge rapide sera de toute façon bientôt limitée par la puissance de recharge des infrastructures.

Dans ce cas, seule l’efficience des véhicules permettra, pour une puissance donnée, de recharger le plus de km possible en un minimum de temps.

Modifié 7 janvier par Shivan64

[barbaresclub]

nmc622 20% de cobalt la batterie de la ioniq28

[e-Lionel]

Le 07/01/2024 à 15:40, Shivan64 a dit :

Egalement, ce dernier graphe montre que la recharge rapide sera de toute façon bientôt limitée par la puissance de recharge des infrastructures.

Dans ce cas, seule l’efficience des véhicules permettra, pour une puissance donnée, de recharger le plus de km possible en un minimum de temps.

Très juste, et c'est pourquoi le swap de batteries proposé par Nio offre de nouvelles perspectives : il ne s'adresse pas à tous les besoins, mais il vient combler une lacune que la recharge classique ne sait pas traiter...

[Shivan64]

Le 07/01/2024 à 16:12, e-Lionel a dit :

Très juste, et c'est pourquoi le swap de batteries proposé par Nio offre de nouvelles perspectives : il ne s'adresse pas à tous les besoins, mais il vient combler une lacune que la recharge classique ne sait pas traiter...

Il suffit de faire la queue derrière 1 personne au swap station pour que l on y passe 15 minutes sans pouvoir sortir de la voiture donc sans temps masqué...

 

L avantage de la station de swap c est surtout l emprise au sol.

 

Mais ce n est pas le sujet de ce fil de toute façon.

[e-Lionel]

Le 07/01/2024 à 15:40, Shivan64 a dit :

En prenant une consommation autoroutière de 22kWh/100km et une autonomie de 500km récupérée entre 10 et 80%, nous avons donc besoin d’une belle batterie de 157kWh utiles.

Sur la base de cette proposition, même si le taux atteignait 4,8 , il faudrait trouver un VE capable de tenir un 22 kWh/100 km malgré le poids d'une batterie de 157 kWh.

Effectivement, c'est utopique.

 

En revanche, pour moitié moins, soit 250 km d'autonomie sur un 10%-80%, il faut une batterie de 78,5 kWh utile.

Et si on dispose d'une techno qui permet le 4,8C pour une recharge en 10 minutes (moins de 9 minutes en réalité, à charge constante pour remplir 70%), alors on tiendrait une offre tout à fait raisonnable et attrative même pour les plus récalcitrants (10 min de charge tous les 250 kms !).

C'est la cible recherchée pour la batterie à electrolyte solide, mais à quel prix pour la batterie elle-même, et pour la recharge ...

[EDIT] une borne 350 kW permettrait un taux de 4,8C pour une batterie de 72,9 kWh, soit 232 km pour une conso de 22 kWh/100 km, pour un 80%-10%, et 298 km pour le premier tronçon (100%-10%), on arriverait donc à 530 km en prenant soin de recharger à 100% avant le grand départ, avec une seule recharge intermédiaire de 10 minutes...

 

Ceci dit, une techno permettant le 4,8C pourrait aussi permettre un 80%-100% en un temps "raisonnable" et donc des trajets un peu plus long (+50 km) toujours avec une seule recharge... on peut rêver un peu, non ?

Modifié 7 janvier par e-Lionel

[zeta]

Le 07/01/2024 à 15:40, Shivan64 a dit :

--> Comparer des taux de charge, c’est donc comparer directement le temps d’attente à une borne indépendante de la taille de la batterie de chaque véhicule.

Je ne suis pas tout à fait d'accord avec ce point : comparer des taux de charge, c'est comparer la performance d'un système de recharge (batterie + gestion thermique + électronique) indépendamment de la capacité de la batterie.

 

Si tu as une batterie de 50 kWh qui charge à 3C et une batterie de 100 kWh qui charge à 2C, sur un véhicule a efficience équivalente, la vitesse de charge est supérieure sur la grosse batterie qui charge proportionnellement moins vite.

Si on compte purement en temps pour faire un 0-80%, d'accord, mais pour une distance donnée, comme le 500km pris dans le titre, il faudra malgré tout moins de temps sur la grosse batterie qui charge en pourcentage moins vite, mais qui peut faire le double de distance pour un même pourcent.

 

C'est toute la difficulté de ce que l'on choisi de comparer:

* la puissance brute de charge (kW)

* la vitesse de charge relative à la capacité (le C-rate)

* la vitesse de charge prenant en compte l'efficience du véhicule (les km/h)

 

C'est ce dernier paramètre qui est le plus important en général. Si tu as un trajet à faire, il suffit de recharger suffisamment, et le véhicule qui aura le meilleur km/h de recharge sera le plus rapide (en simplifiant les temps d'arrêt, la capacité initiale au début du trajet...).

Le C-rate est un outil intéressant pour comparer les chimies et les choix techniques du constructeur, mais ça ne dis pas directement le temps d'arrêt nécessaire pour faire 500 km.

Modifié 7 janvier par zeta

[Shivan64]

Le 07/01/2024 à 19:44, zeta a dit :

Je ne suis pas tout à fait d'accord avec ce point : comparer des taux de charge, c'est comparer la performance d'un système de recharge (batterie + gestion thermique + électronique) indépendamment de la capacité de la batterie.

 

Si tu as une batterie de 50 kWh qui charge à 3C et une batterie de 100 kWh qui charge à 2C, sur un véhicule a efficience équivalente, la vitesse de charge est supérieure sur la grosse batterie qui charge proportionnellement moins vite.

Si on compte purement en temps pour faire un 0-80%, d'accord, mais pour une distance donnée, comme le 500km pris dans le titre, il faudra malgré tout moins de temps sur la grosse batterie qui charge en pourcentage moins vite, mais qui peut faire le double de distance pour un même pourcent.

 

C'est toute la difficulté de ce que l'on choisi de comparer:

* la puissance brute de charge (kW)

* la vitesse de charge relative à la capacité (le C-rate)

* la vitesse de charge prenant en compte l'efficience du véhicule (les km/h)

 

C'est ce dernier paramètre qui est le plus important en général. Si tu as un trajet à faire, il suffit de recharger suffisamment, et le véhicule qui aura le meilleur km/h de recharge sera le plus rapide (en simplifiant les temps d'arrêt, la capacité initiale au début du trajet...).

Le C-rate est un outil intéressant pour comparer les chimies et les choix techniques du constructeur, mais ça ne dis pas directement le temps d'arrêt nécessaire pour faire 500 km.

Je parle du temps de recharge à la borne pas du temps de trajet.

 

Une batterie de 200kWh et de 50kWh avec la meme courbe de taux de charge se rechargeront à la même vitesse. Par définition.

 

Le temps de voyage/trajet dépend evidemment d autres parametres mais ici c est le sous forum qui concerne la recharge. 😉

[zeta]

Le 11/01/2024 à 20:16, Shivan64 a dit :

mais ici c est le sous forum qui concerne la recharge. 😉

Et le titre du fil est "500km d’autoroute rechargés en 10 minutes", et pas "10-80% en 10 minutes" 😇

[e-Lionel]

Le 11/01/2024 à 20:16, Shivan64 a dit :

Une batterie de 200kWh et de 50kWh avec la meme courbe de taux de charge se rechargeront à la même vitesse. Par définition.

La durée de la recharge sera la même, mais à l'issue de la recharge, la batterie de 200 kWh donnera une autonomie beaucoup plus grande au VE. 

Autrement dit, on aurait pu arrêter la charge bien plus tôt sur la grosse batterie pour assurer la fin du trajet !

[Shivan64]

Le 12/01/2024 à 01:42, e-Lionel a dit :

La durée de la recharge sera la même, mais à l'issue de la recharge, la batterie de 200 kWh donnera une autonomie beaucoup plus grande au VE. 

Autrement dit, on aurait pu arrêter la charge bien plus tôt sur la grosse batterie pour assurer la fin du trajet !

Je ne dis pas le contraire.

Ici, on compare les performances de recharge et rien d autre.

A technologie et performance identique, une batterie de 200kWh peut se recharger aussi vite qu une batterie de 50kWh.

 

La capacité d une batterie et le niveau de puissance qu elle peut accepter est étroitement lié. (A chimie de batterie, caractéristique de cellule et management thermique identique. Bref "toute chose égale par ailleurs dans le jargon scientifique")

 

Bref, quelque soit la capacité de batterie, ce sont ses caractéristiques qui déterminent la puissance admissible. Et à caractéristiques identiques, le temps de recharge devient le même.