Conception Batteries

Définitions

Tout d’abord, il est important de préciser les unités utilisées pour qualifier une batterie, quelle que soit sa technologie, plomb, Lithium, NiMh, NiCd, etc…

La tension exprimée en Volt (V) précise la compatibilité avec le système à alimenter. Si votre moteur de vélo électrique est donné pour une tension de 36V, il faudra utiliser une batterie de 36V. Cette tension est une tension continue (DC) contrairement à l’électricité fournie dans vos prises électriques qui a une tension alternative (AC).

La capacité (en Ah) = quantité de courant

Si l'on compare une batterie à un réservoir, la capacité représente la quantité de liquide qui se trouve à l'intérieur, sauf qu'on ne compte pas des litres qu'elle contient, mais les ampères.
La capacité correspond donc à ce que la batterie peut fournir comme quantité de courant (sur une durée précise au bout de laquelle la batterie est déchargée). Cette capacité s’exprime en ampères-heures (Ah) et se note Cn.

La quantité d'énergie (en Wh)

La capacité représente la quantité de courant présent dans la batterie, mais pas la quantité d'énergie.
Pour connaître cette quantité d'énergie (qui s'exprime en Watt-heure (Wh)), il faut multiplier la capacité par la tension de la batterie : Ah x V = Wh. Il est important de ne pas confondre quantité de courant et quantité d'énergie.

Par exemple : 

• si on branche deux batteries 12V 100Ah en série on obtient l'équivalent d'une batterie de ... 100Ah, alors que la quantité d'énergie a doublé (la tension de la nouvelle batterie sera de 24V)

• si on branche deux batteries 12V 100Ah en parallèle, on obtient l'équivalent d'une batterie de ... 200Ah : les intensités s'additionnent (la tension de la nouvelle batterie sera de 12V)

Une batterie de 100Ah peut donc fournir 10A pendant 10h (Courant x durée = capacité en Ah). C'est la valeur moyenne d'une batterie de voiture. Sa quantité d'énergie est de : 12V x 100Ah = 1200Wh.

Une batterie de VAE avec une quantité d'énergie de 500Wh a une capacité de 500/36 = 13,9 Ah théorique (Bosch donne 13,4Ah).

Si le moteur consomme en moyenne 250W sous 36V, à ce régime, il a besoin de 7A pour fonctionner. Si le moteur fonctionnait en permanence à sa valeur de 250W, une batterie de 13,9Ah (500Wh) ne tiendrait que 2h (7A pendant 2h = 14Ah).

Autrement dit, au régime de 250W de puissance moteur, une batterie avec une quantité d'énergie de 500Wh tiendra 2h.

Nota :

Quand on parle d'une batterie de voiture, on donne quasiment toujours sa capacité (100Ah par exemple), mais rarement sa quantité d'énergie (ici, pour une 100Ah, ça sera 1200Wh).

Par contre, pour une batterie de VAE, c'est l'inverse : on parle toujours de sa quantité d'énergie (500Wh) mais rarement de sa capacité (13,9Ah).

Pour comparer 2 batteries de VAE (ou autre), c'est préférable de comparer les quantités d'énergie (en Wh) surtout quand la tension d'usage du moteur est différente. Par exemple, comparons la 725Wh de Bosch et la 720Wh de Rocky Mountain.

• Pour la Bosch (36V), c'est 20Ah

• Pour la Rocky (48V), c'est 15Ah

Donc la batterie Rocky à une capacité inférieure à la Bosch. 

Par contre, pour la quantité d'énergie disponible (Ah*V=Wh), les 2 batteries sont équivalentes :

• Bosch : 20x36 = 725 Wh

• Rocky : 15x48 =720 Wh

C'est bien la quantité d'énergie qui permet la comparaison.

Conception batteries Bosch

Les cellules utilisées dans les batteries Bosch sont des cellules NMC (Nickel-Manganèse-Cobalt), qui offrent une bonne densité énergétique et une longue durée de vie. La capacité des cellules varie en fonction de la taille de la batterie, mais elle se situe généralement entre 2,5 Ah et 3,7 Ah.

Les batteries Bosch sont équipées d'un gestionnaire de batterie (BMS) qui protège les cellules contre la surchauffe, la surcharge et la décharge totale. Le BMS contrôle également la charge et la décharge des cellules afin d'optimiser leur durée de vie.

Voici une liste des modèles de cellules utilisés dans les batteries Bosch :

• 21700 : Cellules cylindriques de 21 mm de diamètre et 70 mm de longueur.

• 18650 : Cellules cylindriques de 18 mm de diamètre et 65 mm de longueur.

Les batteries Bosch utilisent également des cellules Li-Ion 21700 de type 21S (21 cellules en série), qui offrent une densité énergétique plus élevée que les cellules 18650. Ces cellules sont utilisées dans les batteries PowerTube 500 et 750.

Bosch travaille actuellement sur le développement de cellules lithium-ion sans cobalt, qui devraient être disponibles sur le marché dans les années à venir.

Nota :

Les termes GOB et BMS sont souvent utilisés de manière interchangeable pour la gestion des batteries, mais il existe une différence entre les deux.

GOB signifie "gestionnaire d'unité d'alimentation". Il s'agit d'une puce électronique qui est intégrée à la batterie. Le GOB est responsable de la gestion de la charge et de la décharge de la batterie, ainsi que de la protection des cellules contre la surchauffe, la surcharge et la décharge totale.

BMS signifie "système de gestion de la batterie". Il s'agit d'un système plus complet qui comprend le GOB, ainsi que d'autres composants tels que des capteurs de température, des relais et des fusibles. Le BMS est responsable de la gestion de la batterie de manière plus globale, y compris la protection contre les courts-circuits, les surintensités et les surcharges.

Dans le cas des batteries de VAE, la plupart des batteries sont équipées d'un BMS. Le BMS est essentiel pour protéger la batterie contre les dommages et prolonger sa durée de vie.

Voici quelques-unes des fonctions d'un BMS pour les batteries de VAE :

• Protection contre la surchauffe : Le BMS surveille la température des cellules et arrête la charge ou la décharge si la température devient trop élevée (40°C pour Bosch).

• Protection contre la surcharge : Le BMS empêche la batterie de se charger en excès, ce qui pourrait endommager les cellules (coupure de la charge par un relais pour Bosch).

• Protection contre la décharge totale : Le BMS empêche la batterie de se décharger complètement, ce qui pourrait endommager les cellules.

• Protection contre les courts-circuits : Le BMS détecte les courts-circuits et coupe l'alimentation pour éviter les dommages.

• Protection contre les surintensités : Le BMS détecte les surintensités et coupe l'alimentation pour éviter les dommages.

Un BMS de qualité est essentiel pour assurer la sécurité et la durabilité d'une batterie de VAE.

Conception batteries GIANT

La batterie Energypack de Giant est équipée de cellules Tesla 21700 NMC 5A, qui offrent une densité énergétique plus élevée que les cellules NMC 21700 traditionnelles. Cette densité énergétique accrue permet à la batterie d'avoir une capacité de 800 Wh, tout en conservant des dimensions similaires à celle de la batterie EnergyPak Smart 500.

La batterie est compatible avec de nombreux modèles de vélos Giant, et peut même être installée sur des modèles plus anciens à l'aide d'un cache adaptateur.

Voici quelques informations supplémentaires sur les cellules Tesla 21700 NMC 5A :

• Capacité : 5 Ah

• Tension : 3,7 V

• Densité énergétique : 260 Wh/kg

• Cycle de vie : 1000 cycles

La batterie EnergyPak Smart 800 est une option intéressante pour les cyclistes qui recherchent une autonomie maximale. Elle offre une quantité d'énergie de 800 Wh, tout en conservant des dimensions compactes et une compatibilité avec de nombreux modèles de vélos.

Voici quelques avantages et inconvénients de la batterie EnergyPak Smart 800 :

Avantages

• Autonomie maximale

• Dimensions compactes

• Compatibilité avec de nombreux modèles de vélos

Inconvénients

• Prix plus élevé que les batteries avec des cellules NMC traditionnelles

En conclusion, la batterie EnergyPak Smart 800 est une bonne option pour les cyclistes qui recherchent une autonomie maximale sans sacrifier la compacité ou la compatibilité.

Les cellules Tesla et Bosch

Bosch, vient d'annoncer la sortie de sa nouvelle batterie 800Wh en modèle Powerpack. Je n'ai pas l'info exact, mais c'est probablement grace à ces cellules Tesla comme l'a fait Giant, puisque la taille de la batterie n'a quasiment pas changé.

Giant a sorti cette batterie avec de nouvelles cellules Tesla 800Wh. Elle a été testée par Vojomag en aout 2022 où l'on découvre que ces 800Wh tiennent la même place que leur ancienne batterie de 500Wh. En gros, on double la capacité (5Ah au lieu de 2,5 à 3,7Ah pour la même place).
Si l'on pouvait avoir cette rétrocompatibilité sur l'ancien système Bosch, ça serait intéressant (pour ceux qui ont un GLP2 par exemple !).

On pourrait même imaginer que l'utilisation des volumes actuels avec les cellules Tesla permettraient d'augmenter considérablement les capacités (le volume de la 750Wh de la Pwertube permettrait d'avoir 1200Wh si on se réfère à la batterie Giant (800/500*750).

Pour le poids, comme la batterie Giant pèse 4,4kg pour 800Wh, on arriverait à un poids de 6,6kg (4,4/800*1200).
La 750 faisant 4,3kg, ça ferait 2,3 kg de plus pour 450Wh supplémentaires. Quand on voit que le PowerMore (250Wh) pèse 1,6kg, c'est faisable.

Normalement, les batteries Tesla 21700 devraient couter 9% de moins que les batteries 18650. Est-ce que ce sera le cas ? (comparatif).

Les cellules 18650 sont les plus petites et les plus légères des cellules lithium-ion cylindriques. Elles sont souvent utilisées dans les batteries de petite taille et de faible capacité.

Les cellules 21700 21S sont des cellules de type 21S, ce qui signifie qu'elles sont composées de 21 cellules en série. Elles offrent une densité énergétique plus élevée que les cellules 18650, ce qui permet de créer des batteries de plus grande capacité.

Les cellules Tesla 21700 NMC 5A sont des cellules de type NMC avec une capacité de 5 Ah. Elles offrent une densité énergétique plus élevée que les cellules NMC traditionnelles, ce qui permet de créer des batteries de plus grande autonomie.

Mieux que Tesla ?

BMW vient de mettre au point une cellule plus performante que la Tesla (46mm x 95 ou 120mm). Les cellules Gen 6 de BMW offriraient une augmentation remarquable de 20 % de la densité énergétique, offrant jusqu'à 30 % d'autonomie en plus.
Bientôt sur vos vélos !