Ceci est un bus électrique: que savons-nous du transport avec une batterie

Après l'apparition du premier véhicule électrique au 19e siècle et la deuxième poussée de popularité dans les années 70 du 20e siècle, les bus électriques ont de nouveau envahi les rues des villes. Ce qui a influencé leur développement et comment les technologies ont changé: de la création de batteries de grande capacité au développement d'une infrastructure de charge se trouve dans notre nouvel article.

Le premier véhicule électrique: salutations du 19e siècle

Les voitures électriques sont apparues bien avant les voitures à moteur à combustion interne. Gottlieb Daimler et Karl Benz ont breveté les premiers chariots automoteurs à essence ICE en 1886, tandis que la première voiture électrique pour le transport de personnes a été introduite en 1837. En raison du coût élevé et de la faible efficacité, les premières voitures électriques ne pouvaient pas rivaliser avec les voitures à moteur à vapeur. Le coût de l'entretien d'une voiture avec une batterie au zinc était 40 fois plus élevé que le coût de l'entretien d'une machine à vapeur alimentée au charbon.

Après l'avènement des batteries plomb-acide abordables, les voitures électriques ont réussi à se mettre à la mode pendant un certain temps. En 1890, l'Américain William Morrison a construit le premier bus électrique - une voiture d'une capacité de 6 personnes, qui accélère jusqu'à 19 km / h et voyage sur une seule charge jusqu'à 160 km. 24 batteries, pesant près de 350 kg au total, ont produit un courant de 112 A avec une tension de 58 V et ont nécessité 10 heures pour se recharger complètement.


Le bus électrique de William Morrison. Source: american-automobiles.ru

Au tout début du 20e siècle, 20 bus électriques fonctionnaient avec succès sur les voies de transport urbain à Londres, qui étaient à l'époque plus efficaces et économiques que leurs homologues à essence. Une charge de batterie a été suffisante pour 60 km, donc aux stations terminales, les batteries vides ont été remplacées par de nouvelles - le processus n'a pris que trois minutes.


Le bus électrique de Londres avec une batterie amovible est le prototype de la future Tesla avec des batteries à démontage rapide. Source: Musée des transports de Londres

En 1900, 38% des voitures aux États-Unis étaient alimentées par l'électricité, mais l'amélioration des moteurs à combustion interne et la baisse des prix du carburant ont considérablement entravé le développement de l'industrie du transport électrique autonome - dans les années 30 du 20e siècle, les bus électriques avaient pratiquement disparu. Contrairement aux voitures à essence, le transport électrique n'était pas moins cher et l'état de l'environnement n'a jusqu'à présent suscité aucune inquiétude. La croix sur les investissements dans les bus avec batteries a fait son apparition dans les années 20 des trolleybus bon marché.


Le processus de remplacement de la batterie dans un bus électrique est entièrement automatique, comme au 21e siècle.
Source: British Library

Mais en raison des bas prix du carburant au milieu du 20e siècle, l'industrie des glaces a pris la voie d'une augmentation du volume, ce qui a directement affecté la consommation d'essence. Même les voitures étaient équipées de moteurs inefficaces de six litres, dont l'entretien dans les années 70 devenait littéralement «doré». La situation actuelle a provoqué une nouvelle poussée de la popularité des véhicules électriques. Ainsi à Manchester en anglais en 1974, les bus électriques Seddon Pennine 4-236 sur batteries au chlorure sont venus sur les routes de la ville.


Un tir rare du bus électrique Seddon Pennine 4-236 opérant en 1975.
Source: Alan Snatt

La seule voiture commerciale universelle restée dans la mémoire de cette époque était la mini-fourgonnette Mercedes-Benz LE 306, dont la batterie amovible rapide fournissait une puissance d'environ 76 chevaux, mais était épuisée après 50 km. La voiture a vécu jusqu'en 1983, après avoir été testée par le service postal de la ville allemande de Bonn, elle a été déclarée non rentable.


Minivan électrique Mercedes-Benz LE 306 - un rappel de l'ère de la crise du carburant. Source: Mercedes-Benz

Ils n'ont commencé à parler sérieusement de la production et de l'utilisation en masse de véhicules électriques qu'au 20e siècle, lorsque la société a commencé à réfléchir aux menaces environnementales et à réaliser les dommages environnementaux causés par les gaz d'échappement des voitures. Dans le contexte d'une discussion sur les questions environnementales, l'idée de convertir les bus diesel en électricité est devenue très populaire, et l'émergence de batteries lithium-ion qui peuvent accumuler de l'énergie et fournir un mouvement autonome des bus électriques depuis longtemps a joué un rôle important. L'invention de ces batteries a également résolu le problème économique, rendant la production et l'entretien des véhicules électriques plus économiques et leur ouvrant la voie au marché de masse.

Problèmes de nutrition

Dans les bus électriques modernes, des batteries ou des supercondensateurs sont utilisés pour l'alimentation. Cette dernière façon de stocker l'énergie est intéressante à sa manière, même si elle limite fortement les possibilités de transport électrique.

Les supercondensateurs ne peuvent stocker que 5% d'énergie par rapport aux batteries lithium-ion de volume similaire. Évidemment, sur une seule charge du condensateur, le bus ne parcourra que plusieurs kilomètres, ce qui évite de parler d'autonomie. Mais la propriété positive des condensateurs est la vitesse de charge. Il faut quelques secondes pour restaurer la charge.


Supercapacitor chinois Ultracap Bus à un arrêt avec une station de charge - ressemble à une section avec des fils de trolleybus. Source: Shanghai Aowei Technology

Donc, dans la ville chinoise de Ningbo, il y a un bus à condensateur, qui ne prend que 10 secondes pour se recharger - grâce à l'infrastructure développée des bornes de recharge, le bus reçoit de l'énergie à chaque arrêt pendant l'embarquement et l'atterrissage des passagers, qui dure généralement un peu plus longtemps. De plus, jusqu'à 80% de l'énergie de freinage est convertie en électricité et renvoyée aux condensateurs, ce qui permet d'économiser jusqu'à 50%.

Les supercondensateurs sont constamment améliorés, mais l'introduction de bus électriques sur de telles batteries nécessite une infrastructure très coûteuse sous la forme de bornes de recharge haute puissance à chaque arrêt. De plus, des situations d'urgence sous forme d'embouteillages imprévus peuvent laisser un bus avec des condensateurs déchargés sur la route et créer des problèmes supplémentaires pour la circulation.

Une batterie lithium-ion n'est pas un type spécifique de batterie avec une seule composition approuvée, mais toute une famille d'éléments énergétiques. Le développement des batteries lithium-ion est un processus complexe pour trouver l'équilibre nécessaire entre puissance, capacité, compacité et prix. L'idéal n'existe pas encore. Chaque type de batterie lithium-ion convient à une application spécifique. Tous ne sont pas utilisés dans les véhicules électriques, beaucoup trouvent leur place dans l'électronique à faible consommation d'énergie.

Les batteries au lithium-oxyde de cobalt (LiCoO ₂ ), les plus abordables et les plus populaires aujourd'hui, ont une excellente capacité par unité de volume, un faible coût et une tension de 3,6 V par cellule. C'est le type de batterie que vous trouverez dans les appareils mobiles et les appareils électroniques grand public portables. Les inconvénients de telles batteries sont également connus: un faible courant de décharge, un maximum de 1000 cycles de charge / décharge avant le début de la dégradation sérieuse du réservoir, une longue charge et l'incapacité de travailler à basse température. Un bus électrique sur LiCoO ₂ coûtera moins cher que sur d'autres types de batteries, mais ne peut fonctionner que dans les pays chauds sur des itinéraires courts avec une charge minimale, comme les transferts à l'intérieur des campus.

En raison de sa structure tridimensionnelle, la batterie au lithium-manganèse (LiMn ₂ O ₄ ) a pu fournir un courant de décharge élevé - jusqu'à 30 fois sa capacité. Cela a permis d'utiliser LiMn ₂ O ₄ dans des appareils à forte consommation d'énergie à court terme, par exemple dans les voitures électriques Nissan Leaf et BMW i3. Mais les batteries lithium-manganèse ont montré leurs inconvénients: encore moins que la durée de vie des batteries lithium-cobalt et l'intolérance au froid. Par conséquent, les batteries au lithium-manganèse sont combinées avec un autre type de batterie - NMC.


La batterie Nissan Leaf NMC coûte la moitié du prix de la batterie Tesla NCA, mais sa capacité perd environ deux fois plus vite (70% après 100 000 km). Source: Benjamin Nelson

Les batteries au lithium-nickel-manganèse-oxyde de cobalt, ou simplement NMC, ont obtenu une bonne consommation d'énergie spécifique et une durée de vie (jusqu'à 2000 cycles de décharge), mais leur courant de décharge s'est avéré faible. C'est pourquoi, pour une utilisation dans des véhicules électriques, les NMC sont combinés avec LiMn ₂ O ₄ - pendant la conduite normale, les cellules NMC fonctionnent principalement et lors de l'accélération, les cellules LiMn ₂ O ₄ donnent un courant élevé.

Les batteries au lithium-nickel-cobalt-oxyde d'aluminium (LiNiCoAlO ₂ ou NCA) se caractérisent par une capacité spécifique élevée et un coût raisonnable. La vitesse de charge et le courant de décharge des batteries NCA sont moyens, ils ne peuvent pas être écrits en avantages ou inconvénients. C'est la NCA qui est devenue la source d'énergie des voitures Tesla et des systèmes de stockage Powerwall.


La batterie 85 kW Tesla Model S 85A NCA, lorsqu'elle est remplacée en raison de l'usure, est envoyée aux systèmes de stockage d'énergie Tesla Powerwall. Source: wk057

Mais une caractéristique des batteries NCA jette une ombre sur Tesla avant même que les propriétaires ne rencontrent des problèmes potentiels - les batteries ont un cycle de vie de 500 cycles comparable aux cellules au lithium-cobalt. Et puis le remplacement et l'élimination des articles usés. L'expérience a montré que même après 200 000 kilomètres, les batteries des véhicules électriques Tesla continuent de fonctionner, perdant un tiers de leur capacité. Mais, malgré cette expérience positive, pour les véhicules électriques urbains, les batteries NCA ne sont pas le meilleur choix, car le kilométrage du bus est plusieurs fois, voire plusieurs ordres de grandeur, supérieur au kilométrage des voitures personnelles.

Réponse au titanate de lithium

Les batteries au titanate de lithium (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ , LTO) sont connues depuis les années 80 du siècle dernier. Toshiba développe et produit activement ce type de batterie appelé SCiB (Super Charge Ion Battery). Pour la fabrication de l'anode, ils utilisent du titanate de lithium au lieu du graphite. Dans ce cas, la cathode peut être empruntée aux batteries NMC. Le remplacement du graphite a permis d'augmenter la surface effective de l'anode de 3 m ² / g à 100 m ² / g, ce qui affecte pour le mieux la vitesse de charge des cellules et le courant de décharge. Ainsi, en 2017, Toshiba a présenté une batterie SCiB capable de restaurer jusqu'à 90% de sa capacité en seulement 5 minutes.


La structure poreuse de l'oxyde de titanate de lithium offre une surface 30 fois plus grande que le graphite et une durée de vie beaucoup plus longue. Source: KB "Énergie"

Les batteries au lithium-titanate dégagent de façon stable un courant dix fois supérieur à leur capacité et trente fois à des charges pulsées. Les premiers échantillons ont résisté jusqu'à 7000 cycles de décharge, et les batteries modernes fournissent 15000-20000 cycles - aucun autre type de batterie lithium-ion ne peut être comparé à ces indicateurs. De plus, les batteries LTO sont résistantes au feu, pendant la dépressurisation elles chauffent jusqu'à 70 degrés et refroidissent, elles n'ont pas peur non plus de surchauffer. Par temps froid, la cellule ne perd presque pas son efficacité - à une température de -30 degrés, la capacité d'une cellule au titanate de lithium diminue à 80% de la valeur nominale.


Batterie au lithium-titanate Toshiba utilisée dans les bus Proterra. Source: Proterra

Incroyable capacité de survie, charge instantanée, résistance au froid. Cela ressemble à la batterie parfaite pour votre téléphone. Mais les batteries LTO ont également leurs inconvénients, qui limitent jusqu'à présent leur portée. Tout d'abord, il s'agit d'une faible capacité spécifique de 50 à 80 W / kg, tandis que pour les cellules au lithium-cobalt traditionnelles, elle est de 150 à 200 W / kg - c'est-à-dire que pour obtenir une capacité égale, une cellule au lithium-titanate doit être deux ou trois fois plus grande. Deuxièmement, la tension nominale des cellules n'est que de 2,4 V contre 3,6 V pour le lithium-cobalt. Troisièmement, alors que les batteries au lithium-titanate ont un prix élevé, trois fois plus élevé que celui des batteries NCA. C'est pourquoi il n'est pas encore possible d'intégrer une batterie au lithium-titanate dans un smartphone - vous obtiendrez un élément coûteux avec une faible capacité et une tension insuffisante pour que l'appareil fonctionne.

Mais dans les bus électriques, où l'espace ne manque pas et qui nécessitent également une autonomie élevée, les batteries au lithium-titanate sont l'endroit où aller.


Le graphique montre le kilométrage d'une machine de test sur des batteries SCiB et au lithium-oxyde de cobalt. L'avantage de SCiB est plus qu'évident. Source: Toshiba

Problème de recharge

Sans infrastructure développée, un bus électrique se transforme en problème. Vous pouvez recharger un bus électrique de trois manières différentes: recharge longue nuit, recharge rapide aux stations terminales et recharge express aux arrêts.

Les stations de recharge aux arrêts des transports publics sont nécessaires, par exemple, par des bus électriques sur les supercondensateurs: une zone de contact ou des fils sont installés au-dessus du pavillon, que le bus touche avec un pantographe. Si les supercondensateurs ont suffisamment de puissance pendant plusieurs secondes, il faut au moins quelques minutes pour recharger la batterie. Étant donné que les batteries modernes au lithium-titanate de Toshiba récupèrent la majeure partie de la charge en cinq minutes, il suffit d'installer quelques stations de charge sur le réseau de lignes de bus qui peuvent garder les batteries de bus chargées.

La recharge longue nuit dans les transports publics n'est utilisée qu'en tandem avec l'une des deux autres méthodes. Il est impossible de recharger le bus une seule fois par jour et de l'envoyer sur l'itinéraire toute la journée pour des raisons objectives. Tout d'abord, pour travailler pendant au moins une demi-journée, vous avez besoin de batteries très spacieuses qui prendront beaucoup de place dans la cabine - cette circonstance augmente fortement le coût de chaque bus. Deuxièmement, il est nécessaire d'amener des lignes électriques très puissantes au dépôt de bus afin d'alimenter simultanément des dizaines voire des centaines de bus.


Le bus électrique série KamAZ se recharge à l'arrêt final de la route n ° 73 de Moscou.
Source: alisa

Et ensuite?

Le transport électrique urbain a toujours été considéré comme un exotique douteux, et maintenant des centaines de milliers de bus électriques fonctionnent dans le monde. Le champion de l'adaptation des nouvelles technologies est la Chine, où se trouvent près de 99% des bus électriques existants dans le monde. Selon Bloomberg New Energy Finance, d'ici 2025, 47% des bus dans le monde seront électriques.

La Russie n'est pas non plus à la traîne des tendances mondiales. Chaque année, de nombreuses villes russes achètent des véhicules électriques et les mettent sur des itinéraires permanents, créent des infrastructures spéciales et proposent des solutions dans le domaine de l'approvisionnement énergétique. Il est possible que la transition vers le transport électrique se prolonge pendant des décennies et, peut-être, nous rattraperons le temps où les voitures électriques personnelles cesseront d'être un article de luxe et concurrenceront les analogues diesel.