Comment fonctionne une batterie de vélo électrique?

Elément principal du vélo électrique avec le moteur et la bicyclette en elle même, la batterie joue le rôle de réservoir d’énergie pour le système d’assistance électrique de votre vélo. Mais alors comment sa fonctionne ?

Analysons ensemble le fonctionnement d’une batterie, pour mieux comprendre les critères à prendre en compte pour le choix de sa batterie de vélo électrique.

Le fonctionnement d’une batterie de vélo électrique

Les batteries et les piles sont des équipements qui transforment l’énergie chimique en énergie électrique. Une batterie (ou accumulateur) peut stocker et accumuler l’énergie électrique pour la restituer. Par conséquent elle peut se charger et se décharger. A l’inverse une pile électrique fournit l’électricité à un circuit extérieur jusqu’à l’épuisement de son potentiel.

Une batterie est formée de deux électrodes plongées dans une substance conductrice liquide ou solide – l’électrolyte – et reliées à l’extérieur par un fil conducteur. Quand la batterie se décharge, l’électrode négative (anode) émet des électrons qui passent par le fil et sont absorbées par l’électrode positive (cathode). Ce mouvement d’électrons constitue un courant électrique. Celui-ci est ensuite transformé pour faire tourner un moteur ou faire fonctionner un appareil électronique. Quand la batterie est en phase de recharge, avec un apport extérieur d’électricité, les mouvements sont inversés.

Les différents types de batteries

Les batteries utilisent des couples de matériaux capables d’échanger facilement et longtemps des électrons et des ions positifs. Trois grandes catégories existent :

Batterie au Plomb

Historiquement, la batterie la plus courante dans les véhicules à moteur thermique est dite « au plomb ». Elle est constituée avec une électrode négative en plomb, une électrode positive en oxyde de plomb, et un électrolyte constitué d’acide sulfurique et d’eau.

Cependant, celles-ci souffrent de beaucoup de points négatifs. En effet, leur poids est très important, pour un vélo 24V elle peut peser 6 à 7kg et 9 à 10kg pour un vélo en 36V. L’autre désavantage du plomb est son autodécharge.

Batterie au Nickel

Parmi les batteries au nickel, on retrouve essentiellement celles au nickel hydrure métallique (Ni-Mh). Contrairement à une idée reçue, elles souffrent bel et bien de l’effet mémoire ainsi que de l’auto-décharge. Plus légères que celles au plomb, elles accumulent aussi plus de puissance pour un prix évidemment plus élevé. Mais leur durée de vie limitée tend à les faire disparaître au profit de leurs petites soeurs qui tournent au lithium.

Batterie au Lithium

De nos jours c’est le lithium qui suscite l’intérêt car c’est un métal très léger, le troisième dans la classification des éléments après l’hydrogène et l’hélium. L’atome de lithium a une forte capacité à libérer un de ses trois électrons, constituant ainsi un ion chargé positivement, Li+.

Les constructeurs ont d’abord utilisé le lithium métal pour constituer l’électrode négative, émettrice d’électrons. Mais il est apparu que la répétition de cycles charges-décharges l’altérait.

Pour y remédier, la cathode est souvent formée d’oxyde de cobalt, avec un peu de lithium, tandis que l’anode est faite de graphite. L’électrolyte est constitué de sels de lithium dans un solvant et contient donc des ions lithium en grande quantité. D’où l’appellation batterie lithium-ion. La batterie lithium-ion peut stocker 3 à 4 fois plus d’énergie par unité de masse que les autres technologies de batteries

Le Lithium-ion, le meilleur choix pour une batterie de vélo électrique

Principe de fonctionnement de la batterie Li-ion

L’élément de base est une cellule qui se présente un peu comme un feuilleté : une plaque d’aluminium servant à collecter le courant, puis la cathode, l’électrolyte, puis l’anode, enfin une plaque de cuivre.

Selon les cas, la cellule peut être plate ou cylindrique, comme celle de type 18650 – un des standards les plus répandues.

Avantages de la batterie Lithium-Ion

A l’heure actuelle, c’est le lithium qui prime sur toutes les autres technologies en matière de véhicule électrique. En effet, celui-ci a beaucoup plus d’avantages. Son auto-décharge est très faible, de l’ordre de moins de 5% par mois.

La batterie lithium n’a également aucun effet mémoire. Par conséquent, l‘utilisateur peut la recharger quand il le souhaite, celui-ci n’a pas besoin d’attendre qu’elle soit entièrement déchargée.

La batterie lithium-ion a une haute densité d’énergie, c’est à dire qu’elle peut stocker 3 à 4 fois plus d’énergie par unité de masse que les autres technologies de batteries. De plus, la durée de vie du lithium est bien plus importante (environ 1200 cycles pour une batterie de qualité). Son poids est par ailleurs bien moins important que les autres technologies (un peu plus de 2kg pour du 36V).

Inconvénients de la batterie Lithium-Ion

A ce jour, la technologie Li-ion est la plus performante sur le marché, à condition d’utiliser des cellules de qualité. C’est la raison pour laquelle nous vous conseillons d’utiliser des batteries composées de cellules de très haute gamme tels que Samsung ou LG qui sont actuellement les leaders sur le marché des cellules lithium-ion.

Dans le cas contraire, elle présente un risque d’embrasement soudain de la batterie, avec dégagement de gaz toxiques, dû à l’« emballement thermique » de l’électrolyte au-delà de 100 °C. Des milliers de téléphones et de tablettes portables ont dans les dernières années dû être rappelés par les constructeurs.  En 2013, une batterie d’un Boeing 787 s’était même embrasée après l’atterrissage.

Selon les enquêtes, l’échauffement vient le plus souvent d’un court-circuit provoqué par des problèmes d’assemblage ou à des chocs. Cela a contraint les producteurs à mettre en place des process de fabrication rigoureux. Un système électronique (le BMS, Battery Management System) doit être intégré pour couper le courant dès qu’une anomalie est constatée..

Enfin, il est indéniable que concernant les batterie Lithium-Ion, un prix bas n’est jamais synonyme de qualité. Il faut donc faire très attention aux disparités de prix qu’il peut exister, car souvent, une batterie qui semble identique à une autre ne le sera pas en réalité. Les batteries les moins coûteuses sont très rarement les meilleures.