Courbe de recharge : pourquoi 150 kW ne font pas 150 kW

Quand un constructeur annonce 150 kilowatts, cela signifie : dans des conditions favorables, le véhicule atteint brièvement cette valeur à un moment donné de la recharge. Cela ne signifie pas qu'il la maintient, et encore moins qu'il la maintient de dix à quatre-vingts pour cent. La puissance n'est pas constante sur toute la plage d'état de charge : elle suit une courbe qui atteint tôt son maximum puis décroît.

Deux véhicules annonçant la même valeur de pointe peuvent donc différer du simple au double en temps d'arrêt. L'un atteint les 150 kilowatts à quinze pour cent et les maintient jusqu'à cinquante ; l'autre les effleure à vingt pour cent pendant deux minutes et n'en délivre déjà plus que la moitié à quarante pour cent. Le chiffre de la brochure est le même pour les deux et décrit deux véhicules totalement différents.

Si vous voulez voir la courbe d'un véhicule, vous la trouverez dans les mesures publiées par la presse spécialisée et dans des bases de données alimentées par des conducteurs. Ce qui y figure est une mesure réalisée dans des conditions précises et non un engagement — mais c'est incomparablement plus parlant qu'un chiffre isolé.

Le C-rate est le rapport entre la puissance de charge et la capacité de la batterie. Un pack de 50 kilowattheures qui se recharge à 100 kilowatts subit un C-rate de 2 — à cette puissance, il serait plein en une demi-heure si la puissance restait constante. Le même pack à 50 kilowatts subit 1 C, et un pack de 100 kilowattheures à 100 kilowatts également 1 C.

C'est ce chiffre qui est réellement intéressant, car la sollicitation de la cellule ne dépend pas du nombre de kilowatts, mais du courant par cellule. Une grande batterie répartit la même puissance sur davantage de cellules ; chacune travaille plus tranquillement, chauffe moins et vieillit plus lentement. C'est pourquoi, à nombre de kilowatts égal, un grand pack ne met pas seulement plus longtemps à se remplir : il se recharge aussi en ménageant davantage ses cellules.

Conséquence pratique pour comparer : divisez la puissance de pointe par la capacité. Si vous obtenez un chiffre autour de 1, le véhicule est conçu de manière modérée. Si le chiffre dépasse nettement 2, la batterie est conçue pour la recharge rapide — ce qui peut être une bonne chose, mais suppose un refroidissement efficace.

La baisse de la puissance de charge à mesure que l'état de charge augmente s'appelle le taper, et ce n'est pas un programme d'économie du constructeur, c'est de la chimie. Pendant la recharge, les ions lithium migrent de la cathode vers l'anode et s'insèrent entre les couches de graphite. Plus l'anode est pleine, moins il reste de places libres près de la surface, et plus les ions mettent de temps à atteindre les couches plus profondes.

Si l'on force malgré tout plus de courant que l'anode ne peut en absorber, le lithium se dépose sous forme métallique à la surface au lieu de s'insérer. Ce lithium plating est en grande partie irréversible : le matériau n'est plus disponible pour le stockage, la capacité baisse durablement et, dans le pire des cas, des dendrites traversent le séparateur. Le système de gestion de la batterie l'empêche en réduisant le courant.

S'y ajoute une raison électrique. La tension des cellules augmente avec l'état de charge. L'électronique de charge travaille d'abord à courant constant puis, dès que la tension admissible est atteinte, passe à une phase à tension constante dans laquelle le courant baisse de lui-même. La puissance, c'est la tension multipliée par le courant — si le courant baisse, la puissance baisse. C'est pourquoi les vingt derniers pour cent sont toujours les plus lents, sur toute batterie lithium-ion, dans tout véhicule.

La courbe de recharge publiée vaut pour des cellules dans leur plage de fonctionnement. En dessous comme au-dessus, elle a une autre allure. Des cellules froides ont une résistance interne élevée et acceptent peu de courant, car sinon menace justement le plating que le taper doit éviter. Des cellules chaudes vieillissent plus vite, c'est pourquoi le système de gestion de la batterie limite aussi vers le haut.

Entre ces deux limites se trouve une fenêtre qui, selon la chimie des cellules, se situe grosso modo entre vingt et quarante degrés. Les véhicules dotés d'un refroidissement liquide actif y maintiennent leurs cellules, même lors de plusieurs recharges rapides successives. Les véhicules à simple refroidissement par air n'y parviennent plus par une journée chaude après le deuxième arrêt de recharge — la puissance chute, non pas à cause de l'état de charge, mais à cause de la température.

C'est pourquoi le préconditionnement est si efficace. Lorsque la borne est saisie dans le système de navigation, le véhicule amène la batterie dans sa fenêtre pendant le trajet d'approche. Un véhicule qui arrive à la borne avec des cellules à cinq degrés passe le premier quart d'heure à se réchauffer lui-même — et ce temps, on le paie aussi à une borne qui facture à la durée.

La puissance, c'est la tension multipliée par le courant. Pour transmettre beaucoup de puissance, on peut augmenter le courant ou la tension. Le courant est la variante coûteuse : les pertes dans le câble, la fiche et les connexions entre cellules croissent avec le carré du courant, et cette même chaleur doit ensuite être évacuée. C'est pourquoi les câbles de recharge pour forts courants sont refroidis par liquide et restent pourtant lourds.

Une architecture de véhicule d'environ 800 volts au lieu d'environ 400 volts transmet la même puissance avec la moitié du courant et un quart des pertes ohmiques. C'est la vraie raison des puissances de recharge élevées de certains véhicules récents — non pas de meilleures cellules, mais un niveau de tension plus élevé. L'effet secondaire : la borne doit aussi pouvoir fournir cette tension, et les bornes plus anciennes n'en sont pas toujours capables.

De l'autre côté, il y a la borne avec sa propre limite de courant. Beaucoup de bornes de recharge rapide plafonnent à quelques centaines d'ampères. Un véhicule à architecture 400 volts arrive en butée à cette limite à une certaine puissance, quoi que la batterie puisse faire. Pour recharger votre véhicule à la puissance maximale possible, il vous faut donc une borne adaptée à son niveau de tension — l'indication figure sur la borne.

Deux points de charge sur un même boîtier partagent souvent un module de puissance. Si un second véhicule s'y branche, chacun reçoit la moitié, ou le premier branché a la priorité et le second reçoit le reste. La règle appliquée figure rarement sur l'appareil ; on la reconnaît au fait que la puissance s'effondre dès que la place voisine est occupée.

Le deuxième point est le raccordement au réseau du site. Une station comptant de nombreux points de charge a rarement la puissance de raccordement nécessaire pour les servir tous simultanément à pleine puissance. Certains sites compensent avec un stockage stationnaire, beaucoup se contentent de répartir. Sur une aire d'autoroute bondée au début des vacances, la courbe du véhicule n'est pas le sujet.

Et enfin le câble : un câble non refroidi limite le courant à ce qu'il supporte thermiquement. Sur un même boîtier, un câble refroidi peut donc fournir davantage que son voisin. Si vous avez le choix, prenez le plus épais, le plus court, le câble refroidi.

L'indicateur le plus utile au quotidien n'est pas la puissance de pointe, mais l'énergie qui entre dans la batterie en un temps donné. Vingt minutes sont une pause réaliste ; le nombre de kilowattheures qui arrivent pendant ces vingt minutes détermine le temps de trajet. Ce chiffre intègre tout : pointe, taper, température et niveau de tension.

On trouve aussi couramment la durée de dix à quatre-vingts pour cent. Elle vaut mieux que la puissance de pointe, mais elle a un défaut : elle avantage les petites batteries. Un petit pack atteint plus vite quatre-vingts pour cent et a pourtant moins d'énergie à bord. Pour comparer deux véhicules, mieux vaut donc raisonner en kilowattheures par unité de temps, ou directement en kilomètres récupérés par unité de temps.

Du taper découle une règle qui fait gagner le plus de temps sur les longs trajets : deux arrêts courts valent mieux qu'un long. La courbe est la plus raide dans la plage basse ; on recharge donc là où ça va vite, et on repart avant que la puissance ne chute. Passer deux fois de dix à soixante pour cent prend nettement moins de temps que de dix à quatre-vingt-dix une seule fois — pour la même quantité d'énergie rechargée.

L'exception est la dernière étape. Si aucune borne ne suit cet arrêt, on recharge autant que nécessaire et on accepte les pourcentages lents. La deuxième exception est l'hiver : l'arrêt supplémentaire y coûte un nouveau refroidissement de la batterie lorsque le trajet intermédiaire est court.

Pour planifier tout cela, pas besoin d'application, mais de deux chiffres : les grandes lignes de la courbe de votre véhicule et sa consommation à la vitesse pratiquée. Tout le reste en découle.

Pour un véhicule rechargé principalement à domicile, la courbe de recharge ne compte presque pas. Pour un véhicule qui parcourt régulièrement de longues distances, elle est plus importante que l'autonomie. Clarifiez ces points avant l'essai :

Les réponses figurent rarement dans l'annonce, mais on peut se les procurer : les trois premières dans la fiche technique de l'année-modèle, la quatrième dans les mesures publiées, la cinquième dans le rapport de batterie du véhicule concerné.