Guide de Plugboats sur les batteries de bateaux électriques

Ce guide des batteries pour bateaux électriques de Plugboats a été rédigé pour fournir une compréhension de base de la façon dont les batteries propulsent les bateaux et les principales choses que vous voudrez savoir sur le sujet, surtout si vous êtes familier avec les bateaux à combustible fossile et que vous envisagez de passer à l’électrique.

Il n’est pas destiné à couvrir tout ce qui concerne les batteries – le sujet est trop vaste et complexe – et ne donne pas d’informations sur les fabricants et les produits spécifiques qu’ils proposent, tout simplement parce que ce serait impossible.

Il existe littéralement des centaines de fabricants de batteries dans le monde qui fabriquent des milliers de batteries différentes, et souvent les fabricants fournissent des solutions que d’autres sociétés étiquettent avec leur propre marque.

Pour certains, ce guide des batteries pour bateaux électriques peut être trop basique. Mais je pense que les bases sont un bon point de départ, alors commençons.

1. Physique : ÉNERGIE, FORCE, TRAVAIL, PUISSANCE

Je pense qu’il est utile de faire un rapide rappel de la physique car cela aide à comprendre l’aspect électrique de la propulsion.

En fin de compte, la distance et la vitesse que vous pourrez parcourir dans votre bateau électrique et la relation entre les deux se résument aux contraintes de la physique : combien d’énergie et de puissance (qui sont deux choses différentes, comme vous le découvrirez) il faut pour déplacer le poids de votre bateau contre la résistance et la force de l’eau.

Tous les jours, nous utilisons des expressions telles que « j’ai beaucoup d’énergie » ou « le gouvernement a-t-il le pouvoir de faire cela », mais lorsqu’il s’agit de déterminer ce dont vous avez besoin pour votre bateau, la physique a des définitions très précises de ces termes.

– ÉNERGIE : l’énergie est la capacité de quelque chose à fournir un travail.
– FORCE : C’est une poussée ou une traction sur un objet résultant d’une interaction avec un autre objet.
– TRAVAIL : Le travail est effectué lorsque de l’énergie est transférée à un objet, ce qui entraîne un mouvement de cet objet.
– PUISSANCE : la puissance est la vitesse à laquelle le travail est effectué.

Les équations sont les suivantes :

Travail = Force X Distance et Puissance = Travail ÷ Temps.

Le travail se mesure en joules, tout comme l’énergie (nous y reviendrons dans une minute). La force est mesurée en newtons et est liée au poids de l’objet que l’on pousse ou tire. La distance se mesure en mètres. La puissance est mesurée en watts (nous y reviendrons également) et le temps est mesuré en secondes.

La raison pour laquelle l’énergie et le travail sont tous deux mesurés en joules est que le travail est défini comme la chose qui est accomplie par le transfert d’énergie, ils sont donc mesurés de la même manière.

Le concept important ici est que déplacer le poids de votre bateau sur une distance donnée nécessitera toujours la même quantité d’énergie – la même quantité de travail (en eau calme). Si vous voulez le déplacer sur la même distance plus rapidement, ou déplacer un bateau plus grand sur la même distance, il faudra plus d’énergie : le taux de travail. Déplacer un bateau dans les vagues revient essentiellement à déplacer un bateau plus lourd : vous devez surmonter la force des vagues et vous avez donc besoin de plus de force et de puissance pour vous déplacer à grande vitesse.

Vous le savez déjà intuitivement, mais il est bon de savoir comment tout cela est mesuré, comme vous le verrez en ce qui concerne les batteries.

2: Électricité : VOLTS, AMPÈRES, WATTS

Les exemples ci-dessus sont tous des explications de l’énergie mécanique, des choses qui se déplacent dans l’espace. L’énergie électrique a ses propres mesures, qui sont entrelacées avec ces unités d’énergie mécanique. Les trois termes de base de l’énergie électrique que vous devez connaître sont les volts, les ampères (amps) et les watts.

Les volts (désignés par V) sont les unités utilisées pour mesurer l’énergie électrique. Pour être précis, les volts mesurent le potentiel électrique. Le potentiel électrique est la quantité d’énergie électrique capable de se déplacer d’un point à un autre – cette idée de « capacité de travail » appliquée à l’électricité. Ce n’est pas une analogie exacte, mais si vous considérez l’électricité comme de l’eau, la tension est la pression de l’eau.

Les AMPS (notés A) sont les unités utilisées pour mesurer le flux d’énergie. Si la tension est la pression de l’eau, imaginez un compteur sur le tuyau d’eau qui mesure la quantité d’eau, le nombre de molécules d’eau, qui passe par un point du tuyau à un moment donné. Avec l’électricité, le compteur mesure les charges électriques individuelles qui passent dans un fil, et le flux, le courant, est mesuré en ampères.

Les WATTS (désignés par W) sont utilisés pour mesurer la puissance électrique.

Les watts sont les unités utilisées pour mesurer à la fois la puissance électrique et la puissance mécanique. Cette unité est utile pour déterminer à quelle vitesse et sur quelle distance l’énergie électrique d’une batterie peut déplacer un bateau.

En ce qui concerne votre bateau, l’énergie est stockée dans votre batterie, cette énergie électrique est transférée à l’énergie mécanique – le moteur, la transmission et l’hélice – qui exerce une force sur l’eau pour déplacer votre bateau. Comme nous l’avons dit, une vitesse plus élevée et/ou un poids plus important nécessitent une plus grande puissance transférée de l’énergie électrique à l’énergie mécanique – le tout mesuré en watts.

Nous savons que la formule de la puissance mécanique est Puissance = Travail ÷ Temps. Il existe également une formule spécifique pour calculer la puissance électrique : Watts = Volts x Ampères.

Pour être clair, un watt est un watt est un watt, peu importe s’il s’agit de mesurer le taux de travail de l’énergie électrique ou de l’énergie mécanique ou si elle est exercée par un moteur électrique ou un moteur à combustible fossile, un moteur à vapeur ou une manivelle.

Dans le cas des bateaux électriques, comme la puissance des batteries et celle des moteurs sont toutes deux mesurées en watts, il est assez simple d’associer une batterie à votre moteur et de déterminer la quantité de travail qu’il pourra fournir pendant une durée donnée.

De nombreuses personnes sont habituées à utiliser le terme « cheval-vapeur » pour parler des bateaux. Cependant, si vous envisagez d’utiliser un bateau électrique, je pense que vous feriez mieux d’oublier la puissance et de penser uniquement en termes de watts, ou mieux encore, de kilowatts.

Un kiloWatt équivaut à mille watts.

Un watt est la quantité de travail qu’un joule d’énergie peut effectuer en une seconde, ce qui n’est pas beaucoup. Les joules et les watts individuels sont petits. Pour vous donner une idée de la taille d’un joule, l’unité d’énergie que nous utilisons tous est la calorie alimentaire, et un joule représente environ 1/4000e de calorie, soit 4 184 joules par calorie. Vous brûlez environ 2 000 calories par jour, ce qui signifie que vous brûlez environ 8 368 000 joules par jour (félicitations !).

Comme un watt est si petit, nous utilisons souvent le terme kiloWatt pour désigner une quantité importante de puissance. Un KILOWATT (noté kW) est le travail que mille joules peuvent accomplir en une seconde. Si vous insistez pour faire une comparaison avec un cheval-vapeur, un kiloWatt est environ 1/3 plus grand qu’un cheval-vapeur, 1 kW ≈ 1,3 ch. En d’autres termes, un cheval-vapeur représente environ 3/4 d’un kiloWatt.

3. Alimentation par batterie pour le moteur électrique de votre bateau

Travailler avec Watts = Volts X Ampères

Mettons cette mesure commune en pratique.

Étant donné que vous transférez de l’énergie électrique à de l’énergie mécanique pour faire avancer votre bateau et qu’elles sont mesurées dans les mêmes unités, cela signifie que pour bénéficier de tous les avantages d’un moteur électrique de 10 kW, vous devez disposer d’une batterie dont la tension et l’ampérage peuvent fournir au moins 10 kW – 10 000 watts.

En théorie, il peut s’agir de n’importe quelle combinaison : une batterie de 50V envoyant un courant de 200A ferait l’affaire, tout comme une batterie de 100V envoyant 100A. Dans la vie réelle, cependant, il y a des contraintes, que vous pouvez voir en allant jusqu’au ridicule – une batterie de 2V envoyant 5 000A serait comme essayer de faire fonctionner un bateau avec une batterie de téléphone portable.

Pour vous donner quelques exemples concrets, un moteur électrique de pêche à la traîne de 1kW pourrait être parfait pour pêcher à partir d’un petit bateau, donc une batterie de 12V et un courant de 50A pourraient y parvenir.

À l’autre extrémité, il existe maintenant des moteurs hors-bord électriques de +150kW et des in-boards bien au-delà. Pour obtenir une puissance élevée, il faut une haute tension, un courant élevé, ou les deux à la fois. En termes d’ampères, vous vous rapprochez de 300 ampères, et les moteurs de voitures électriques ont généralement des tensions de 360 à 400V et jusqu’à 800V. Un moteur de 800 V / 300 A peut produire jusqu’à 240 000 watts de puissance, soit 240 kW, alors qu’un moteur de 600 V/200 A peut produire 120 kW.

Dans la gamme moyenne des moteurs de bateaux électriques, la tension se situe généralement entre 48 et 144 V et les ampères peuvent aller jusqu’à 250 ou 300 A.

Lorsque nous parlons de cette équation Watts = Volts x Ampères et de la théorie par rapport à la réalité, il y a d’autres choses à savoir. Tout d’abord, les moteurs ont une puissance d’entrée et une puissance de sortie. Si vous fournissez une puissance de 10 kW, une partie de cette puissance est utilisée pour faire tourner le moteur et une partie de l’énergie est perdue sous forme de chaleur, de sorte que la puissance de sortie sera inférieure à 10 kW. Pas beaucoup plus petite, les moteurs électriques sont très efficaces. Mais plus petite.

Les moteurs peuvent également avoir deux puissances nominales. La puissance de pointe mesure la quantité maximale de puissance dont dispose le moteur, mais seulement pendant de courtes périodes. La puissance continue mesure la puissance qui peut être délivrée à un rythme constant pendant de longues périodes. Certains fabricants de moteurs ne vous indiquent qu’une seule des valeurs nominales, beaucoup vous indiquent les deux.

De même, votre batterie peut avoir plusieurs valeurs nominales pour les volts, comme la tension nominale, la plage de tension, la tension de décharge et autres.

4. Puissance et autonomie – kiloWatts, kiloWatt heures, Ampères heures

L’un des avantages de travailler en kiloWatts comme mesure commune de l’énergie électrique et mécanique est qu’il est facile de déterminer la quantité d’énergie nécessaire pour faire avancer votre bateau et la distance qu’il peut parcourir à quelle vitesse sans être rechargé. En connaissant les kiloWattheures et les ampères-heures, vous pouvez facilement calculer cette autonomie.

kiloWatts, kiloWattheures, ampères-heures

Pour calculer l’autonomie, vous devez connaître le nombre de kiloWattheures de votre batterie. ATTENTION : kiloWatt heures, PAS kiloWatts. Les kiloWattheures sont désignés par kWh.

La différence entre les kiloWatts et les kiloWattheures est très importante. Un kiloWatt est une mesure de la puissance, comme nous le savons. Mais un kiloWattheure est une mesure de l’énergie.

Comment cela se fait-il ? Revenons un instant à cette autre mesure de l’énergie qu’est le joule.

Nous avons appris qu’un kiloWatt est le travail que mille joules peuvent effectuer en une seconde, et il s’ensuit qu’un kiloWatt HEURE est la quantité de travail que 1 000 joules par seconde peuvent effectuer en une heure, soit 3 600 secondes.

Il s’agit d’une mesure de l’énergie car elle nous indique le nombre d’unités d’énergie transférées en une heure pour effectuer le travail : 1 000 joules par seconde X 3 600 secondes dans une heure = 3 600 000 joules d’énergie convertie en travail en une heure.

Il est donc facile de savoir combien de temps l’énergie de votre batterie peut alimenter le moteur qui l’accompagne. Il suffit de diviser la capacité en kiloWattheures de la batterie par la puissance nominale en kiloWatt du moteur. Un moteur de 10 kiloWatts – fonctionnant à plein régime tout le temps – a besoin de 10 kiloWatts d’énergie électrique par seconde et utilisera 10 kiloWatts-heure d’énergie en 1 heure. En d’autres termes, il tire 3,6 millions de joules d’énergie électrique de la batterie en une heure, lorsqu’il fonctionne à « plein régime », pour utiliser un terme relatif aux combustibles fossiles.

Comme n’importe quel moteur de bateau, un moteur de 10 kW n’a pas besoin de tourner à pleine vitesse et d’utiliser toute la puissance maximale en permanence. À mi-vitesse, il a besoin de 5kW, à un quart de vitesse, de 2,5kW, etc.

C’est la bonne nouvelle de ce calcul. La mauvaise nouvelle est que tous les fabricants de batteries ne fournissent pas une spécification pour les kiloWattheures. Certains le font, d’autres non. Cependant, presque tous les fabricants de batteries fournissent une spécification pour les ampères-heures, désignés par Ah.

Vous pouvez néanmoins facilement calculer l’énergie stockée en utilisant les ampères-heures. Il suffit d’adapter l’équation Volts x Ampères = Watts pour dire Volts X Ampères HEURES = Watts HEURES (attention lors du calcul – la réponse est en wattheures, pas en kiloWattheures).

Étant donné que les ampères sont une mesure de la quantité d’électricité qui passe par un point unique du fil à un moment donné, un ampère-heure représente la quantité d’électricité qui passe en une heure, c’est-à-dire la quantité d’énergie qui sort de la batterie.

En utilisant le même moteur de 10 kilowatts, il va utiliser 10 000 watts en une heure (à fond), donc avec une batterie de 48V, nous aurons besoin d’une spécification d’environ 200 ampères-heures : 48V x 200Ah = 9 600 watts-heures, soit un peu moins de 10 kiloWatt-heures. Nous pouvons rouler à vitesse maximale pendant 1 heure, à demi-vitesse pendant 2 heures et à quart de vitesse pendant 4 heures.

5. Caractéristiques des batteries

Lorsque vous consultez les spécifications de votre batterie pour connaître le nombre d’ampères-heures et d’autres spécifications, vous pouvez trouver quelques références qui peuvent prêter à confusion – différents types de tension, maximums et minimums pour les ampérages, et d’autres termes peu familiers.

  • Tension

La tension nominale, à toutes fins utiles, est la tension de votre batterie. Nominal signifie « nommé », c’est donc la tension nommée de votre batterie, même si la tension réelle mesurée peut être supérieure ou inférieure. Une batterie de 48V pourrait en fait être une batterie de 51,2V lorsqu’elle est analysée, mais il est plus facile pour tout le monde de l’appeler (ainsi que les batteries similaires) une batterie de 48V.

Plage de tension
Pour revenir à l’analogie de l’électricité et de l’eau pendant une minute, lorsque vous tirez de l’électricité d’une batterie, la  » pression  » fluctue un peu – lorsque vous voulez augmenter la puissance de votre moteur, par exemple – et, dans l’ensemble, elle diminue progressivement à mesure que l’électricité est utilisée. À un moment donné, la « pression » n’est plus suffisante pour envoyer le courant au moteur.

La plage de tension vous donnera donc la tension maximale que vous pouvez attendre et la tension minimale. Par exemple, une batterie de 48 V nominal peut avoir une plage de tension de 58,4 V à 40 V.

Tension de décharge minimale
Il s’agit de la tension minimale lorsque la tension n’est pas suffisante pour faire circuler le courant.

Tension de charge
Il s’agit de la tension que le chargeur utilisera. Si vous achetez une batterie avec un chargeur compatible, vous n’aurez pas à vous en soucier. Presque toutes les batteries de bateaux électriques peuvent être chargées à l’aide d’un courant domestique (charge de niveau 1) et beaucoup sont conçues pour être compatibles avec les chargeurs rapides standard de niveau 2 des véhicules électriques.

  • Ampérage

L’ampérage continu vous indique le courant électrique qui peut sortir de la batterie de façon continue, l’ampérage de « croisière ».

L’ampérage maximal vous indique le courant électrique maximal qui peut sortir de la batterie. Si vous avez besoin de plus de puissance pour traverser les vagues ou aller plus vite, vous aurez besoin de plus d’ampères : Watts = Volts x Ampères.

Les ampères de charge ou le courant de charge sont similaires à la tension de charge, c’est le courant qui va retourner dans la batterie pour la recharger, mais vous n’aurez pas à vous en soucier avec un chargeur compatible.

Les ampères-heures, dont nous avons déjà parlé, représentent la capacité de stockage d’énergie de la batterie.

  • kiloWatts

Certaines batteries peuvent indiquer les kiloWatts, leur puissance nominale. Comme pour la puissance de pointe ou les ampères maximums, il s’agit de la puissance que la batterie peut fournir à un moment donné.

Des kiloWattheures peuvent être spécifiés comme capacité de stockage sur certaines batteries, mais comme indiqué précédemment, Ah est la désignation la plus courante et peut être facilement converti en kWh par Volts x Ah = kWh. Attention, il arrive que les fabricants (ou les personnes de leur service d’étiquetage) confondent kW et kWh.

Vous trouverez également d’autres spécifications sur votre batterie, comme la plage de température de fonctionnement, le nombre de cycles et d’autres choses, mais elles sont assez explicites.

6. Comment fonctionnent les batteries

C’est le moment idéal pour examiner le fonctionnement des piles. En gros, elles fonctionnent toutes de la même manière. Et une note pour tous les experts, ceci est extrêmement simplifié !

Une pile est composée d’un matériau dont les atomes veulent se débarrasser de leurs électrons, d’un autre type de matériau dont les atomes veulent rassembler des électrons et, entre les deux, d’un matériau qui facilite une réaction chimique permettant de libérer les électrons pour qu’ils puissent se rassembler sur l’autre matériau.

Quand vous étiez enfant, vous avez peut-être fabriqué une pile à partir d’un citron, d’un clou et d’un centime de cuivre. Le zinc du clou galvanisé veut se débarrasser des électrons, le cuivre du penny veut les rassembler, et le jus de citron est le matériau intermédiaire.

Le clou et le penny sont appelés les électrodes de la pile. Le clou est l’électrode négative – l’anode – le penny est l’électrode positive – la cathode – et le jus de citron est appelé l’électrolyte.

Dans une batterie rechargeable, comme celle que vous voulez avoir dans votre bateau, les produits chimiques sont beaucoup plus compliqués et il y a aussi une barrière à sens unique. Le fait de brancher un moteur entre des électrodes crée une réaction chimique avec l’électrolyte qui fait circuler les électrons dans le moteur pour aller de l’anode à la cathode (c’est ce qu’on appelle l’électricité) et le moteur tourne.  Lorsque vous le branchez sur un chargeur, la barrière unidirectionnelle permet aux électrons de retourner directement à l’autre électrode en passant par la barrière.

Comme vous pouvez l’imaginer, la réaction chimique d’un citron, d’un clou et d’une pièce de monnaie en cuivre ne génère pas beaucoup d’électricité. Étonnamment, les réactions chimiques des batteries les plus récentes et les plus efficaces ne le font pas non plus – elles ne produisent qu’environ 2 volts à 3,6 volts.

7. Cellules, modules et packs de batteries

Pour obtenir une tension plus élevée, il faut connecter les batteries. Le mot « pile » n’est pas très précis, nous l’utilisons pour désigner tout ce qui se trouve dans un appareil auditif ou dans un véhicule électrique. Pour être plus précis, le citron est une cellule de batterie. Les cellules de batterie sont connectées ensemble pour former des modules et les modules sont connectés ensemble pour former des packs de batteries. Même certaines des piles que vous utilisez à la maison, comme la pile de 9 V, sont techniquement des modules de piles constitués de six éléments de pile de 1,5 V chacun.

Voici un exemple fou de ce fonctionnement – World’s Largest Lemon Battery – qui montre comment un bloc de piles est créé pour augmenter la tension.

À un niveau un peu plus pratique, la batterie d’une Tesla 3 (ou de tout autre véhicule électrique) n’est pas très différente. Elle utilise des cellules lithium-ion, dont les dimensions sont un peu plus grandes que celles des piles AA que vous utilisez à la maison. Chaque cellule peut générer 3,7 volts et il y en a 2 976 disposées en 96 groupes de 31 pour créer le pack batterie de la Tesla 3 de 350 volts. La capacité de stockage d’énergie du pack est de 80 kWh. Vous pouvez voir les cellules, les modules et le pack global sur la photo ci-dessous.

La batterie Tesla (et toutes les batteries) utilise deux manières différentes de connecter les batteries pour obtenir à la fois une tension plus élevée et des kiloWattheures plus importants. Si les cellules ou les modules de la batterie sont connectés en série, la tension est augmentée, mais le stockage d’énergie n’est pas accru. S’ils sont connectés en parallèle, c’est le contraire qui se produit : la capacité de stockage d’énergie augmente, mais la tension reste la même. (Photo du bloc-batterie de la Tesla S par Ted Dillard, Inside EVs)

Dans le cas d’une grande batterie comme celles utilisées dans les voitures électriques et les grands systèmes de bateaux électriques, le travail est déjà fait pour vous. Pour les moteurs plus petits, en revanche, vous pouvez le faire vous-même. Deux batteries de 48 V (par exemple) peuvent être montées en série pour entraîner un moteur plus gros. Ou bien, elles peuvent être mises en parallèle pour doubler l’autonomie de votre bateau. NOTE IMPORTANTE : Ceci n’est pas vrai pour tous les moteurs électriques et toutes les batteries – ne le faites PAS sans consulter les fabricants.

Différentes cellules : cylindres, poches, prismatiques

Une dernière chose sur la façon dont les batteries sont construites. Pour les piles au lithium, il existe trois types de cellules de base : cylindriques, à poche et prismatiques. Les piles cylindriques sont très similaires aux piles AA que vous utilisez dans les articles ménagers. Les piles prismatiques sont contenues dans une boîte rectangulaire. Les piles à poche sont exactement cela, de petites poches.

Chaque type de pile est construit d’une manière différente et présente des avantages et des inconvénients différents pour le fabricant et l’utilisateur. Ces avantages et inconvénients sont principalement liés à l’efficacité, au poids et, bien sûr, au coût, tant pour la fabrication de la cellule elle-même que pour la connexion des cellules entre elles afin de créer des modules et des packs.

8. BMS : Système de gestion de la batterie

Nous savons qu’un bateau a différents besoins en énergie et qu’il tire le courant approprié du bloc-batterie, mais le courant provient-il d’une cellule à la fois, de toutes les cellules en même temps ou d’un point intermédiaire ?

C’est là que le système de gestion de la batterie (BMS) entre en jeu. Le BMS peut être considéré à juste titre comme le cerveau de l’opération. Il surveille et gère la batterie pendant la décharge et la charge, en équilibrant la tension et le courant des cellules afin que le travail du pack soit partagé équitablement et en toute sécurité.

Globalement, sa fonction est de protéger la batterie – et vous – en surveillant constamment chaque cellule du pack et en calculant la quantité de courant qui peut entrer et sortir en toute sécurité. Si vous pensez aux tensions et aux ampérages minimums et maximums indiqués dans les spécifications de la batterie, ils s’appliquent non seulement au bloc de batteries dans son ensemble, mais aussi à chacune des cellules individuelles.

Grâce à cette surveillance, il agit comme votre « jauge de carburant » et calcule l’état de charge global, c’est-à-dire la quantité d’énergie restante dans la batterie.

Il surveille également la température et vérifie s’il y a des indications de connexions lâches, de courts-circuits ou de problèmes d’isolation dans les cellules, les modules et le pack.

Si le BMS détecte un élément dangereux dans le fonctionnement, il arrête la batterie. Il arrête également la batterie s’il détecte une activité telle qu’une tension excessive ou insuffisante qui pourrait endommager les cellules. Outre la sécurité, cela permet également de prolonger la durée de vie du pack.

Le BMS est généralement une pièce d’équipement séparée, mais il peut également être intégré au pack lui-même, auquel cas le pack est appelé « batterie intelligente ».

9. Chimie des batteries

Par chimie de la batterie, nous entendons les matériaux impliqués dans la réaction chimique qui produit la charge électrique.  Deux matériaux de base sont utilisés pour les batteries rechargeables destinées à un bateau électrique : le plomb et le lithium.

La réaction chimique dans les batteries au plomb se produit entre des électrodes en plomb (l’anode est en plomb métallique et la cathode en oxyde de plomb) et un acide. D’où le nom de batterie plomb-acide.

Les batteries au lithium utilisent une grande variété de matériaux et d’alliages pour réaliser la réaction chimique. La combinaison spécifique est généralement disponible dans les manuels d’utilisation et les brochures, mais n’est souvent pas annoncée. Le terme générique Lithium-ion ou Li-ion est utilisé.

Le seul type de batterie au lithium dont le nom contient généralement la composition chimique spécifique est la batterie LiFePO ou LiFePO4, qui n’est pas du lithium ION mais du phosphate de lithium IRON.

Pour les batteries au lithium, il existe un système à six points qui donne des notes :

– l’énergie spécifique
– Puissance spécifique
– Sécurité
– Performance
– Durée de vie
– Coût

Nous avons utilisé ce système pour vous donner une base de comparaison pour les produits chimiques au lithium les plus courants, et nous l’avons légèrement adapté pour les batteries plomb-acide afin de vous donner une indication de leur place dans le schéma des choses.

Les 6 critères de classement

L’énergie spécifique peut également être appelée densité d’énergie gravimétrique et fait référence à la quantité d’énergie qui peut être stockée dans la batterie en fonction du poids : wattheures par kilogramme.

Le terme densité d’énergie est souvent utilisé, mais il n’est pas tout à fait exact car la densité d’énergie fait en fait référence à la quantité d’énergie pouvant être stockée par volume : kWh par litre. La spécification par volume est rarement utilisée dans les informations destinées aux consommateurs, donc si vous voyez la densité énergétique, cela signifie probablement (mais pas toujours) la spécification d’énergie spécifique par poids.

Une énergie spécifique ou une densité énergétique élevée est préférable, car elle se traduit par une batterie plus légère. Pour les batteries au lithium, ce nombre peut aller de 100 à 250 wattheures par kilogramme, en fonction de la composition chimique.

Deux remarques ici, l’une très importante, l’autre moins.

Ces valeurs d’énergie spécifiques pour les batteries au lithium sont de 100 à 250 Wattheures, et NON des kilowattheures. L’évaluation en kWh serait de 0,1 à 0,25 kWh par kilogramme de matériau de batterie. Les batteries au plomb ont une énergie spécifique d’environ 35-40 wattheures par kilogramme (.03 kWh/kg).

Plus important encore, ces chiffres pour le lithium font référence à l’énergie d’une cellule individuelle. La densité énergétique de la batterie dans son ensemble sera plus faible car elle doit prendre en compte le poids de toutes les connexions, des liquides de refroidissement et des colles qui entrent dans la construction de la batterie. Les chiffres relatifs au plomb-acide concernent le bloc de batteries.

La puissance spécifique est la quantité de puissance par poids que la chimie peut fournir : kW par kilogramme. C’est facile à comprendre maintenant que vous connaissez la différence entre énergie et puissance.  Les batteries au lithium peuvent fournir entre 250 watts par kilogramme et 350 w/kg.  L’acide de plomb est d’environ 180w/kg.

Sécurité. Cette spécification du tableau concerne la sécurité par rapport aux autres batteries au lithium. Lorsqu’il s’agit d’inquiétudes concernant la sécurité des batteries, certaines personnes citent les reportages sur les incendies de VE. La raison pour laquelle il y a des reportages sur les incendies de batteries de VE est la même que celle pour laquelle il y a des reportages sur les accidents d’avion. Ils sont extrêmement rares. Personne ne parle des millions d’heures d’utilisation des batteries qui se déroulent chaque jour sans aucun incident.

L’utilisation de batteries lithium-ion comporte certainement un certain risque, tout comme l’utilisation de liquides hautement volatils et explosifs qui alimentent les moteurs à combustible fossile. Lorsqu’elles sont utilisées et entretenues correctement, les risques sont très faibles et sont atténués par des milliers d’heures de recherche et de tests, ainsi que par la surveillance du système de gestion des batteries (BMS) qui se fait à chaque seconde d’utilisation de la batterie.

Les performances indiquées dans les graphiques concernent les performances à des températures chaudes et froides.

La durée de vie est une indication de la durée de vie globale de la batterie et plus particulièrement du nombre de cycles de charge qu’elle peut effectuer.

Chaque décharge et recharge – appelée cycle – fait que la batterie n’est pas en mesure de revenir complètement à la charge complète et finit par ne plus être utile. La possibilité d’avoir un plus grand nombre de cycles est évidemment préférable car cela signifie que votre batterie durera plus longtemps.

Il est difficile d’évaluer le nombre exact de cycles qu’une batterie peut subir car la définition d’un cycle n’est pas absolue en termes de quantité d’énergie déchargée et rechargée pour constituer « un cycle ». En général, cependant, les batteries lithium-ion des véhicules électriques et des bateaux sont conçues pour subir 1 000 à 2 000 cycles de charge.

Le coût fait référence au coût initial relatif par rapport aux autres batteries au lithium. Remarque concernant les graphiques : les classements indiquent le caractère souhaitable des caractéristiques de la batterie. Ainsi, un faible coût est plus élevé sur l’échelle de classement car il s’agit d’une bonne chose dans une batterie.

Acide de plomb

Flooded, Valve (VRLA), Gel, Absorbed Glass Mat (AGM)

Les batteries au plomb utilisées pour la propulsion d’un bateau électrique sont différentes de celles utilisées dans une voiture à combustible fossile comme batterie de démarrage. Une batterie de démarrage n’est utilisée que pour faire démarrer un moteur, ce qui nécessite beaucoup de puissance, mais pour une courte période de temps : petite tension et ampérage maximal très élevé. Elle n’a pas besoin d’un gros stockage d’énergie. Elle utilise une petite décharge pour faire tourner le poids massif du moteur à combustible fossile, puis l’alternateur (qui n’est qu’une toute petite turbine génératrice d’électricité) recharge la batterie grâce à la rotation du moteur à combustible fossile.

Pour votre bateau électrique, il vous faut une batterie dont la puissance de sortie (volts fois ampères) est compatible avec votre moteur et qui dispose de beaucoup de kilowattheures pour vous permettre de décharger complètement la batterie (jusqu’à environ 80 %) et d’en tirer de l’électricité pendant longtemps.

C’est ce qu’on appelle une batterie au plomb-acide à « cycle profond » ou parfois à « décharge profonde ».

Il existe quelques types de batteries plomb-acide à décharge profonde : les batteries inondées et les batteries plomb-acide à régulation par soupape (VRLA). Les VRLA sont ensuite divisées en batteries Gel et en batteries à matrice de verre absorbée (AGM). Dans les versions inondées, l’électrolyte est liquide, dans les versions à gel, il s’agit d’un gel et dans les AGM, il est maintenu dans un état semi-solide en étant retenu dans les pores du mat de verre.

Les piles noyées sont les plus lourdes et les moins chères… les AGM sont les plus légères et les plus chères, mais toujours beaucoup moins chères que les piles au lithium.

Par rapport aux batteries au lithium, les batteries au plomb-acide ont une énergie spécifique plus faible, des cycles plus courts et un coût initial plus faible. L’énergie spécifique n’est qu’environ 1/5 de celle des batteries au lithium de plus haute densité – et la puissance spécifique est environ 1/2 de celle des batteries au lithium. Elles sont généralement très sûres, mais les versions noyées peuvent dégager de l’hydrogène et exploser dans certaines conditions, surtout si le propriétaire a été un peu négligent dans l’entretien.

Le coût initial du plomb-acide est environ 1/4 du prix d’une batterie au lithium, mais comme elles ne durent que 300-400 cycles, le coût par cycle est plus élevé. Elles sont bonnes pour les petits moteurs, mais après environ 48 volts, la quantité de puissance nécessaire pour déplacer le poids de la batterie seule en fait un choix peu pratique.

Lithium

Il existe une grande variété de chimies de batteries au lithium, mais certaines sont utilisées pour des choses comme les ordinateurs portables et les appareils médicaux. Vous trouverez ci-dessous les principales variétés utilisées pour la propulsion électrique des bateaux. La composition chimique fait référence aux matériaux utilisés dans les cathodes.

  • Oxyde de lithium, nickel, manganèse et cobalt : LiNiMnCoO2 : NMC (NCM, CMN, CNM, MNC, MCN

Le NMC est la chimie la plus populaire pour les groupes motopropulseurs électriques dans les VE, les vélos électriques et les bateaux électriques. La raison principale pour laquelle elle est si populaire est qu’elle a une énergie spécifique élevée. Les différents fabricants ont leurs propres recettes pour les proportions de nickel, de manganèse et de cobalt, de sorte que certains sacrifient un peu d’énergie spécifique pour une puissance plus spécifique, et vice versa. Les fabricants de batteries essaient d’utiliser moins de cobalt en raison de son coût et des préoccupations liées à l’éthique minière. Plus de nickel signifie une densité énergétique plus élevée, un coût inférieur et une durée de vie plus longue, mais une tension légèrement inférieure.

  • Lithium-Fer-Phosphate : LiFePO, LiFePO4 ou LFP

De nombreux propriétaires de bateaux électriques et de nombreuses entreprises préfèrent la chimie de la batterie lithium-fer LiFePO à celle du lithium-ion, principalement pour deux raisons : un coût inférieur et leurs inquiétudes quant à la sécurité du li-ion. Ils font cependant un compromis sur l’autonomie, car le LiFePO a une faible énergie spécifique. Ce n’est peut-être pas le meilleur choix de batterie pour un bateau électrique à grande vitesse et à forte puissance, mais il devient de plus en plus populaire auprès des propriétaires de voiliers, où le poids accru de la batterie par rapport à la taille du bateau est moins important et où la vitesse à pleine puissance n’est pas un problème.

  • Titanate de lithium : LTO ou Li-titanate

Le titanate de lithium est un très bon produit chimique pour certains grands navires, mais n’est pas une option populaire pour les bateaux de plaisance. Les raisons en sont qu’il a une faible énergie spécifique – les batteries sont donc très lourdes. En revanche, elles ont une longue durée de vie, sont très sûres et peuvent être rechargées très rapidement. L’autre inconvénient est qu’elles sont chères. Pour un grand ferry électrique où le poids de la batterie est moins important mais où la rapidité de la recharge et la sécurité du public sont primordiales, le coût initial plus élevé est compensé par la longue durée de vie, ce qui signifie que l’opérateur est libéré des coûts d’exploitation élevés liés au remplissage constant de combustible fossile.

10. Chargement de la batterie

Enfin, nous aborderons très brièvement la question de la charge.

Tout comme une batterie a des spécifications concernant les volts, les ampères et les kilowatts qu’elle produit, elle a des spécifications correspondantes en volts, ampères et kilowatts concernant la vitesse à laquelle l’énergie peut être renvoyée à sa place initiale.

Presque toutes les batteries des bateaux électriques peuvent être chargées par un circuit domestique standard (niveau 1), et presque autant ont des capacités de charge rapide (niveau 2). Dans les deux cas, les chargeurs utilisent le courant alternatif provenant du réseau général et les aspects techniques correspondent à ceux de la recharge des véhicules électriques.

Les socles de charge standard existants dans les marinas peuvent être utilisés pour charger les moteurs de bateaux électriques et des unités de charge rapide en courant continu sont également installées dans les marinas du monde entier. Le rythme d’installation de ces unités à grande vitesse ne fera qu’augmenter dans les années à venir, car de plus en plus de personnes commencent à utiliser des bateaux électriques et les moteurs de bateaux électriques plus puissants deviennent plus populaires.

Lorsque vous achetez votre bateau et/ou votre moteur, le fabricant vous proposera ou suggérera une unité de charge, mais en général, ces unités sont compatibles avec tous les moteurs. Vérifiez auprès du fabricant pour être sûr.

Conclusion

Cet article est destiné à vous donner une compréhension de base des batteries pour la propulsion des bateaux électriques. Il y a d’autres choses qui auraient pu être ajoutées, mais l’intention était d’essayer de rester sur les bases sans dériver vers des sous-thèmes.

Dans un effort pour rester aussi concis que possible, il traite également des mathématiques sous-jacentes de la relation batterie / moteur sans trop de mises en garde sur la vie réelle. Si vous avez un moteur de 10kW et une batterie de 10kWh, il se peut qu’il ne fonctionne pas à plein régime pendant exactement une heure. Le BMS ne laissera pas la batterie se décharger à 100%, et même s’il le faisait, le moteur ne sera peut-être pas exactement de 10kW et il y a beaucoup d’autres variables. Mais il fonctionnera quelque part autour d’une heure.

De plus, il y a des centaines de choses qui auraient pu être couvertes sur les spécificités des batteries et des moteurs pour des bateaux de différents poids et de différentes utilisations. Un petit bateau de course à la journée n’a évidemment pas les mêmes exigences en matière d’énergie et de batteries qu’un voilier de haute mer qui a besoin de stocker et de cuisiner, d’avoir des toilettes et d’alimenter les appareils de navigation et de divertissement.

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