Pack batterie et configuration

Le pack batterie d’un véhicule électrique associe des cellules, des connexions électriques, des équipements de refroidissement, une électronique de commande et des structures de protection afin de former un système énergétique haute tension.

Sa configuration électrique détermine la tension, la capacité et le courant qu’il peut fournir, tandis que son intégration physique influe sur la masse, le refroidissement, la protection contre les collisions, l’encombrement, la facilité d’entretien et la densité énergétique au niveau du pack.

Que contient un pack batterie ?

Les cellules stockent l’énergie, mais elles ne constituent qu’une partie du pack batterie complet.

Un pack de véhicule électrique type comprend :

• Des cellules de batterie
• Des modules ou d’autres structures de regroupement des cellules
• Des barres omnibus et des conducteurs haute tension
• Une électronique de surveillance des cellules
• Des contacteurs principaux positif et négatif
• Des fusibles et des dispositifs de coupure pyrotechniques
• Des capteurs de courant, de tension et d’isolation
• Un dispositif de déconnexion pour l’entretien
• Des plaques de refroidissement et des canaux de liquide de refroidissement
• Des matériaux d’interface thermique
• Une enveloppe de pack étanche
• Une protection contre les collisions et les intrusions
• Des voies de décharge de la pression et de gestion des gaz
• Des connecteurs et jonctions haute tension

Les contacteurs principaux déconnectent les cellules du reste du véhicule lorsque le système haute tension est arrêté. À l’intérieur du pack, les cellules restent connectées et sous tension.

Un fusible conventionnel protège contre les courants excessifs, tandis qu’un dispositif de coupure pyrotechnique peut interrompre rapidement une connexion haute tension lors d’une collision grave ou d’un défaut électrique.

Le système de gestion de la batterie surveille et commande le pack, tandis que Gestion thermique de la batterie présente plus en détail ses systèmes de refroidissement et de chauffage.

Configuration de la batterie

La configuration de la batterie décrit la façon dont les cellules sont connectées électriquement.

Les deux méthodes de connexion fondamentales sont :

• La connexion en série, qui augmente la tension
• La connexion en parallèle, qui augmente la capacité en ampères-heures et le courant disponible

La plupart des packs de véhicules électriques combinent les deux.

Connexions en série

Lorsque des cellules ou des groupes de cellules identiques sont connectés en série, leurs tensions s’additionnent.

Le même courant traverse chaque cellule ou groupe parallèle de la chaîne en série.

Tension du pack = Nombre de groupes en série × Tension de la cellule

La connexion en série de 100 cellules ayant une tension nominale de 3.7 volts produit une tension nominale du pack d’environ 370 volts.

La capacité mesurée en ampères-heures n’augmente pas lorsque des cellules identiques sont uniquement connectées en série.

Connexions en parallèle

Lorsque des cellules identiques sont connectées en parallèle, la tension reste identique tandis que leurs capacités en ampères-heures s’additionnent.

Capacité du groupe parallèle =
Nombre de cellules en parallèle × Capacité d’une cellule

Quatre cellules de 72 Ah connectées en parallèle forment un groupe de 288 Ah.

Les cellules en parallèle se partagent également le courant. Dans des conditions équilibrées, quatre cellules identiques en parallèle transportent chacune environ un quart du courant du groupe.

La répartition réelle du courant peut varier légèrement en raison de différences de :

• Résistance interne
• Température
• Âge des cellules
• Connexions électriques
• Tolérances de fabrication

Le BMS surveille normalement les cellules connectées en parallèle comme un seul groupe de tension, car elles partagent la même tension aux bornes.

Comprendre la notation s et p

Les configurations de batterie sont couramment écrites avec :

• s pour série
• p pour parallèle

Une configuration 3s4p comprend :

• Trois groupes connectés en série
• Quatre cellules connectées en parallèle dans chaque groupe
• Douze cellules physiques au total

Le nombre total de cellules est :

Nombre total de cellules = Nombre en série × Nombre en parallèle

Pour un pack utilisant des cellules identiques :

Tension nominale du pack =
Nombre en série × Tension nominale d’une cellule

Capacité du pack en Ah =
Nombre en parallèle × Capacité d’une cellule

Énergie nominale du pack en Wh =
Tension nominale du pack × Capacité du pack

La tension multipliée par les ampères-heures donne une valeur énergétique nominale approximative.

La tension des cellules varie continuellement avec l’état de charge ; ce calcul ne mesure donc pas exactement l’énergie que le pack peut fournir pendant une décharge complète. Les fabricants peuvent aussi définir la capacité nominale ou brute à l’aide de méthodes de caractérisation des cellules qui diffèrent légèrement de ce calcul simple.

Exemple : Audi Q8 55 e-tron

La batterie de l’Audi Q8 55 e-tron contient 432 cellules prismatiques réparties dans 36 modules. Chaque module comprend 12 cellules.

Audi indique :

• Une capacité brute de 114 kWh
• Une capacité utilisable de 106 kWh
• Une tension nominale de 396 V
• 36 modules
• 432 cellules

Chaque module utilise une disposition 3s4p. Le pack complet est donc en 108s4p. (Audi)

Avec les valeurs nominales des cellules :

• Tension d’une cellule : environ 3.6667 V
• Capacité d’une cellule : 72 Ah
• Capacité du groupe parallèle : 4 × 72 Ah = 288 Ah
• Tension d’un module : 3 × 3.6667 V = environ 11 V
• Capacité d’un module : 288 Ah

Les 36 modules sont connectés en série :

• Configuration complète : 108s4p
• Tension du pack : 36 × 11 V = 396 V
• Capacité du pack : 288 Ah
• Énergie nominale : 396 V × 288 Ah = 114,048 Wh

Le résultat est d’environ 114 kWh, ce qui correspond à la capacité brute publiée par Audi.

Cet exemple illustre deux principes importants :

• La connexion de cellules ou de modules en série augmente la tension
• La connexion de modules en série n’augmente pas la capacité en ampères-heures

Exemple : Porsche Macan Electric

Le Porsche Macan Electric utilise :

• Une capacité brute de 100 kWh
• Une capacité utilisable d’environ 95 kWh
• 12 modules
• 15 cellules prismatiques connectées en série par module
• 180 cellules au total
• Une architecture de la classe 800-volts

Le pack complet peut donc être décrit comme 180s1p. Chaque grande cellule prismatique fournit déjà la capacité en ampères-heures requise ; aucune cellule physique en parallèle n’est donc nécessaire dans chaque position en série.

Porsche indique également que les 12 modules et plusieurs autres composants importants du pack peuvent être remplacés individuellement. (Porsche Newsroom)

Cette conception diffère considérablement d’un pack utilisant des milliers de petites cellules cylindriques, même si les deux remplissent les mêmes fonctions fondamentales.

Exemple théorique de pack à petites cellules cylindriques

Prenons un pack utilisant 4,416 cellules cylindriques disposées en 96s46p.

Supposons que chaque cellule possède :

• Une tension nominale de 3.7 V
• Une capacité de 4.8 Ah

Le pack obtenu présente :

Tension du pack = 96 × 3.7 V
                = 355.2 V

Capacité du pack = 46 × 4.8 Ah
                 = 220.8 Ah

Énergie nominale = 355.2 V × 220.8 Ah
                 = environ 78.4 kWh

Il s’agit d’une configuration théorique, et non de la spécification de tous les véhicules utilisant un nombre de cellules similaire.

Les packs cylindriques réels varient selon :

• La capacité des cellules
• La chimie des cellules
• Le fournisseur
• L’usine
• L’année-modèle
• La version de batterie
• La fenêtre de tension utilisable

Exemples de configurations de batterie

Les fabricants ne publient pas toujours la notation sXp complète. Les configurations accompagnées d’un astérisque sont déduites de la disposition publiée des cellules et des modules.

Batterie	Année	Capacité brute ou nominale	Cellules/modules	Configuration	Tension nominale ou d’architecture
Mitsubishi i-MiEV, spécification américaine	2012	16.3 kWh	88 cellules	88s1p*	325.6 V
Volkswagen e-Golf	2014	24.2 kWh	264 cellules/27 modules	88s3p*	323 V
Volkswagen e-Golf, génération 35.8 kWh	2017	35.8 kWh	264 cellules/27 modules	88s3p*	323 V
Audi Q8 55 e-tron	2022	114 kWh	432 cellules/36 modules	108s4p	396 V
Batterie PPE Audi Q6 e-tron/A6 e-tron	2024	100 kWh	180 cellules/12 modules	180s1p*	Classe 800-volts
Porsche Macan Electric	2024	100 kWh	180 cellules/12 modules	180s1p*	Classe 800-volts
Batterie NIO Ultra-Long Range 150 kWh	2024	150 kWh nominales	384 cellules	Non publiée officiellement	337 V nominaux
Porsche Cayenne Electric	2026	113 kWh	192 cellules en poche/6 modules	Non publiée officiellement	Classe 800-volts

Le pack d’essai du Mitsubishi i-MiEV utilisait 88 cellules et possédait une capacité nominale de 50 Ah, une énergie nominale de 16.3 kWh et une tension nominale de 325.6 V. (Département de l’Énergie des États-Unis)

La première e-Golf utilisait 264 cellules, 27 modules, une tension de 323 V et une capacité de 24.2 kWh. La version ultérieure de 35.8 kWh conservait le même nombre de cellules, le même nombre de modules, la même tension nominale et la même masse publiée de batterie. (VW Press)

La batterie Audi PPE emploie 12 modules et 180 grandes cellules prismatiques, contre 36 modules et 432 cellules pour le Q8 e-tron. (Audi)

NIO publie 384 cellules, une tension nominale de 337 V, une capacité de 446 Ah et une masse de 575 kg pour sa batterie de 150 kWh, mais ne fournit pas assez d’informations publiques pour établir de manière fiable une configuration sXp complète. (NIO)

Le Porsche Cayenne Electric utilise six modules et 192 grandes cellules en poche dans une batterie à fonctions intégrées. (Porsche Newsroom)

Tension, courant et puissance

La puissance électrique dépend de la tension et du courant :

Puissance = Tension × Courant

Une même puissance peut être transférée avec :

• Une tension plus élevée et un courant plus faible
• Une tension plus faible et un courant plus élevé

Un transfert théorique de 300 kW nécessite :

À 400 V :

Courant = 300,000 W ÷ 400 V
        = 750 A

À 800 V :

Courant = 300,000 W ÷ 800 V
        = 375 A

Le système 800-volts fournit la même puissance avec deux fois moins de courant.

Les pertes électriques dans les conducteurs peuvent être approximées comme suit :

Pertes résistives = Courant² × Résistance

Si la résistance reste identique, diviser le courant par deux réduit les pertes résistives au quart.

Les véhicules réels sont plus complexes, car les dimensions des conducteurs, la résistance des connecteurs, les semi-conducteurs, le refroidissement et la tension réelle de la batterie varient également. Le calcul explique néanmoins pourquoi une tension plus élevée devient intéressante à mesure que la puissance de recharge et de la chaîne de traction augmente.

Systèmes des classes 400-volts et 800-volts

Les expressions 400 volts et 800 volts désignent de grandes catégories de systèmes, et non des tensions de batterie fixes.

La tension du pack varie en fonction de :

• L’état de charge
• La chimie des cellules
• La température
• Le courant
• Le nombre de cellules connectées en série
• Les limites de tension du fabricant

Une batterie commercialisée comme étant de 400 volts peut fonctionner depuis le bas de la plage des 300-volts jusqu’à plus de 400 V.

Un pack de la classe 800-volts peut avoir une tension nominale plus proche de 650–750 V, tout en approchant ou dépassant 800 V à un état de charge élevé.

Systèmes de la classe 400-volts

Une architecture de la classe 400-volts reste suffisante pour de nombreux véhicules électriques généralistes.

Avantages

• Des composants matures et largement disponibles
• Un coût inférieur des composants
• Une compatibilité simple avec les bornes existantes
• Des exigences d’isolation moins élevées
• Une puissance suffisante pour de nombreux véhicules particuliers
• Des procédés de réparation et de fabrication établis

Compromis

• Un courant plus élevé pour une même puissance
• Des conducteurs plus gros à très forte puissance
• Davantage d’échauffement dans les connecteurs et les câbles
• Une difficulté accrue à atteindre des puissances de recharge extrêmes
• Des besoins en courant plus élevés pour les chaînes de traction très puissantes

Une bonne batterie 400-volts peut tout de même se recharger très rapidement si elle associe des cellules acceptant un courant élevé, un refroidissement efficace et une large courbe de recharge.

Systèmes de la classe 800-volts

Une architecture de la classe 800-volts réduit le courant nécessaire pour une puissance donnée.

Avantages

• Un courant plus faible à forte puissance de recharge
• Des pertes réduites dans les conducteurs
• Des câbles haute tension potentiellement plus petits ou plus légers
• Une puissance supérieure dans les limites de courant des connecteurs
• Une fourniture efficace d’une forte puissance à la chaîne de traction
• Une excellente adaptation à la recharge à haute puissance

Compromis

• Des composants haute tension plus coûteux
• Des exigences plus élevées en matière d’isolation et de lignes de fuite
• Des contraintes supérieures pour les contacteurs et les capteurs
• Une électronique de puissance plus complexe
• Des difficultés de compatibilité avec les bornes de tension inférieure
• Des coûts de développement et de validation supérieurs

Une tension plus élevée ne garantit pas une recharge plus rapide.

Les performances de recharge dépendent aussi de :

• La chimie des cellules
• Le taux C des cellules
• La température de la batterie
• La courbe de recharge
• Les limites de courant
• La capacité de refroidissement
• L’état de charge
• Les capacités de la borne

Recharger une batterie 800-volts sur une borne de tension inférieure

Une borne doit fournir une tension suffisante pour faire circuler du courant vers la batterie.

Une batterie de la classe 800-volts ne peut normalement pas se recharger directement sur une borne dont la tension de sortie maximale reste très inférieure à celle du pack.

Les fabricants résolvent ce problème de plusieurs façons :

• Un convertisseur élévateur CC dédié
• L’utilisation du moteur et de l’onduleur comme partie d’un circuit élévateur
• La reconfiguration de la batterie en bancs de tension inférieure
• Une capacité de recharge limitée sur les bornes incompatibles

Recharge par bancs

La recharge par bancs modifie la configuration électrique de la batterie pendant la recharge.

Le Porsche Macan peut diviser sa batterie 800-volts en deux circuits distincts de 400-volts. Les deux moitiés de la batterie sont alors rechargées simultanément à une puissance pouvant atteindre 135 kW, sans convertisseur haute tension distinct. (Porsche Newsroom)

Les cellules ne se déplacent pas et le pack n’est pas physiquement divisé. Des commutateurs haute tension modifient la manière dont ses sections sont connectées électriquement.

Cela montre que la configuration d’une batterie ne reste pas nécessairement fixe dans tous les modes de fonctionnement.

Architectures des packs batterie

La configuration électrique décrit la manière dont les cellules sont connectées.

L’architecture du pack décrit comment les cellules, le système de refroidissement, l’enveloppe, les modules et la structure du véhicule sont physiquement intégrés.

Les principales approches comprennent :

• Les packs à modules
• Le Cell-to-Pack
• Le Cell-to-Body ou Cell-to-Chassis
• Les packs structurels ou à fonctions intégrées

Ces catégories se chevauchent.

Une batterie structurelle peut encore contenir des modules. Une conception Cell-to-Pack peut toujours employer des cadres internes, des rangées comprimées, des bancs ou d’autres structures de regroupement des cellules.

Packs à modules

Dans un pack traditionnel à modules, les cellules sont assemblées en modules avant que ceux-ci ne soient installés dans l’enveloppe de la batterie.

Cellule → Module → Pack → Véhicule

Les modules peuvent comprendre :

• Des cadres de cellules
• Des structures de compression
• Des barres omnibus
• Une électronique de surveillance des cellules
• Des interfaces de refroidissement
• Une isolation électrique
• Une protection mécanique
• Des connecteurs au niveau du module

Avantages des packs à modules

• Évolutivité : différentes capacités peuvent être obtenues avec différents nombres de modules.
• Séparation de la fabrication : l’assemblage des modules et celui du pack final peuvent être testés séparément.
• Groupes de cellules maîtrisés : la compression, les connexions électriques et le refroidissement peuvent être gérés dans des unités définies.
• Réparabilité potentielle : un module défectueux peut être remplacé sans changer le pack complet.
• Souplesse vis-à-vis des fournisseurs : les modules peuvent servir d’interface entre la production des cellules et l’assemblage du véhicule.
• Réutilisation de la plateforme : une même conception de module peut parfois servir à plusieurs véhicules.

Compromis des packs à modules

• Matériaux inactifs supplémentaires : les cadres, couvercles, fixations et connecteurs ajoutent de la masse.
• Nombre de pièces supérieur : davantage de boîtiers, de joints, de barres omnibus et d’interfaces sont nécessaires.
• Rendement du pack réduit : de l’espace est nécessaire autour des cellules et des modules.
• Étapes d’assemblage supplémentaires : les modules nécessitent une production, des essais, un transport et une installation distincts.

La présence de modules ne rend pas automatiquement un pack réparable.

La réparabilité dépend aussi de :

• L’accès au pack
• Les adhésifs et produits d’étanchéité
• La conception du circuit de refroidissement
• La disponibilité des pièces de remplacement
• La prise en charge du diagnostic
• La programmation du BMS
• Les procédures de réparation du fabricant

Le Porsche Macan Electric est un exemple moderne de pack à modules conçu dans une optique de réparation. Porsche indique que ses 12 modules et d’autres composants majeurs peuvent être remplacés individuellement. (Porsche Newsroom)

Cell-to-Pack

Le Cell-to-Pack, couramment abrégé CTP, supprime ou réduit l’enveloppe intermédiaire des modules conventionnels.

Cellule → Pack → Véhicule

Les cellules peuvent toujours être disposées en :

• Rangées
• Groupes comprimés
• Cadres internes
• Bancs
• Réseaux structurels

Le CTP ne signifie pas nécessairement que chaque cellule se trouve librement dans une enveloppe unique et non compartimentée.

Avantages du Cell-to-Pack

• Meilleure utilisation du volume du pack : les parois et couvercles des modules occupent moins de volume.
• Masse inactive réduite : moins de boîtiers intermédiaires et de fixations sont nécessaires.
• Nombre de pièces réduit : les interfaces électriques et structurelles peuvent être regroupées.
• Réduction potentielle des coûts : supprimer les composants répétés peut simplifier l’assemblage.
• Intégration plus directe du refroidissement : les cellules peuvent être en contact direct avec les structures de refroidissement du pack.
• Moins de connexions : de grandes cellules et l’intégration directe peuvent réduire le nombre de barres omnibus et de connecteurs.

Compromis du Cell-to-Pack

• Responsabilité accrue au niveau du pack : le refroidissement, la compression, l’isolation et la protection contre la propagation doivent être gérés sur de plus grandes sections.
• Fabrication plus intégrée : un défaut de production peut affecter un ensemble plus important.
• Remplacement modulaire réduit : les groupes de cellules peuvent être difficiles à déposer séparément.
• Dépendance à la plateforme : les dimensions des cellules, le refroidissement, l’enveloppe du pack et le plancher du véhicule sont étroitement liés.
• Coût de réparation potentiel : un dommage dans une section peut imposer le remplacement d’un ensemble de pack plus important.

CATL Qilin

CATL présente Qilin comme une architecture CTP de troisième génération.

CATL revendique une utilisation de 72 % du volume du pack. Cette valeur est une spécification de Qilin et ne s’applique pas à toutes les batteries CTP.

L’intérêt va au-delà de la suppression des enveloppes de modules conventionnels. Qilin intègre le refroidissement, la structure, la protection thermique et les cellules au niveau du pack.

Unified Cell de Volkswagen et Cell-to-Pack

La Unified Cell du groupe Volkswagen est une plateforme standardisée de cellules prismatiques conçue pour fonctionner avec un nouveau système de batterie Cell-to-Pack.

La plateforme générale est destinée à prendre en charge :

• Le NMC
• Le LFP
• Le sodium-ion
• Une éventuelle future technologie à électrolyte solide

La première Unified Cell de PowerCo produite à Salzgitter utilise une chimie NMC. Des variantes LFP sont prévues. (Volkswagen Group)

La Unified Cell montre que le format des cellules et les interfaces du pack peuvent être standardisés sans imposer la même chimie à tous les véhicules.

Blade Battery de BYD

La Blade Battery de BYD utilise de longues cellules prismatiques LFP disposées directement dans le pack, sans modules intermédiaires conventionnels.

Les longues cellules contribuent également à la structure mécanique interne du pack.

Une grande partie du gain d’intégration provient de la relation entre :

• Les dimensions des cellules
• La largeur du pack
• Le refroidissement
• Le soutien structurel
• L’assemblage sans modules

Le résultat ne doit pas être attribué uniquement à la chimie LFP ou à la forme allongée des cellules.

Cell-to-Body et Cell-to-Chassis

Le Cell-to-Body, ou CTB, intègre plus étroitement la batterie à la carrosserie du véhicule.

Le terme Cell-to-Chassis, ou CTC, est employé pour des concepts similaires, bien que les fabricants n’utilisent pas toujours ces expressions de manière cohérente.

La batterie peut partager certaines fonctions avec :

• Le plancher de l’habitacle
• Les traverses
• Le soubassement
• Les structures latérales
• Les structures de fixation des sièges
• Les chemins d’efforts en cas de collision

La frontière entre un CTP avancé et le CTB n’est pas toujours claire. Elle dépend des pièces et des fonctions partagées entre le pack et la carrosserie.

Cell-to-Body de la BYD Seal

La BYD Seal utilise un système Cell-to-Body dans lequel la batterie et le plancher de la carrosserie forment une structure étroitement intégrée, comparable à un sandwich.

La batterie joue à la fois le rôle :

• De système de stockage d’énergie
• D’élément structurel du véhicule

Avantages du CTB et du CTC

• Moins de couches structurelles redondantes
• Davantage d’espace intérieur pour une hauteur de véhicule donnée
• Une réduction potentielle de la masse du système
• Une rigidité accrue de la carrosserie
• Un centre de gravité plus bas
• Une meilleure efficacité d’intégration

Compromis du CTB et du CTC

• La conception de la batterie et de la carrosserie devient étroitement liée
• Une réparation après collision peut concerner les structures de la batterie et de la carrosserie
• La dépose du pack peut nécessiter un démontage plus important
• Une évolution de la plateforme peut imposer de redessiner la batterie
• L’étanchéité et la protection contre la corrosion deviennent plus critiques
• Les tolérances dimensionnelles deviennent plus strictes

Packs structurels et à fonctions intégrées

Une batterie structurelle supporte des charges importantes du véhicule au lieu de servir uniquement d’unité de stockage d’énergie fixée sous la carrosserie.

Un pack structurel peut utiliser :

• Des cellules directement collées dans une enveloppe structurelle
• De grands réseaux de cellules structurels
• Des modules installés dans une batterie intégrée à la carrosserie
• Un couvercle de batterie qui sert également de partie du plancher de l’habitacle

L’intégration structurelle et l’utilisation de modules sont deux choix de conception distincts.

Pack batterie structurel de Tesla

Tesla a commencé à produire certaines versions du Model Y avec des cellules 4680 fabriquées en interne, de grandes pièces de carrosserie moulées et un pack batterie structurel en 2022.

Tesla a également produit des variantes du Model Y utilisant des packs conventionnels non structurels et des cellules 2170. L’architecture de la batterie dépend donc de la version du véhicule et de l’usine.

Porsche Cayenne Electric

Le Porsche Cayenne Electric utilise ce que Porsche appelle une batterie haute tension à fonctions intégrées.

La batterie :

• Est directement intégrée à la structure du véhicule
• Contribue à la rigidité de la carrosserie
• Contient six modules
• Contient 192 grandes cellules en poche
• Possède une capacité brute de 113 kWh
• Utilise un refroidissement des modules sur les deux faces

Il s’agit d’un exemple utile de batterie structurellement intégrée qui reste modulaire, au lieu d’adopter une architecture CTP sans modules. (Porsche Newsroom)

Avantages des packs structurels

• Moins de redondance entre les structures du pack et de la carrosserie
• Une masse totale du système potentiellement plus faible
• Une meilleure utilisation de l’espace vertical
• Une rigidité accrue de la carrosserie
• Un centre de gravité plus bas
• Moins de grands composants dans le véhicule

Compromis des packs structurels

• Le développement de la batterie et du véhicule devient indissociable
• Des dommages structurels peuvent affecter l’enveloppe de la batterie
• La dépose du pack et la réparation de la carrosserie peuvent être plus complexes
• Les tolérances de fabrication deviennent plus strictes
• La batterie peut être difficile à réutiliser sur une autre plateforme
• La réparation exige des procédures détaillées du fabricant

La vidéo ci-dessous propose une analyse détaillée du pack structurel de Tesla par Munro & Associates.

Architecture du pack et facilité d’entretien

Il est tentant de classer les architectures de batterie ainsi :

Modules = réparable

Cell-to-Pack = difficile à réparer

Pack structurel = non réparable

La réalité est plus complexe.

La facilité d’entretien dépend de :

• La possibilité d’ouvrir le couvercle sans le détruire
• La possibilité de déposer les modules ou groupes de cellules
• Les adhésifs structurels, les mousses et les résines d’enrobage
• L’accès aux plaques de refroidissement
• Les raccords de liquide de refroidissement
• La disponibilité des modules et des composants électroniques
• Les outils de diagnostic
• La programmation du BMS et l’appariement des composants
• Les procédures de réparation approuvées
• Les dommages à l’enveloppe du pack ou à la structure du véhicule

Une batterie conventionnelle à modules peut malgré tout n’être remplacée que comme une unité complète si le fabricant ne fournit ni modules ni instructions de réparation.

Une batterie structurellement intégrée peut toujours contenir des éléments remplaçables :

• Des modules
• Des contacteurs
• Des fusibles
• Des capteurs
• Des contrôleurs
• Des composants du circuit de refroidissement

Le Porsche Cayenne Electric montre que l’intégration structurelle et la construction modulaire peuvent coexister.

L’architecture du pack influe sur les possibilités de réparation, mais ne les détermine pas à elle seule.

Densité énergétique au niveau du pack

La densité énergétique au niveau des cellules décrit l’énergie stockée par celles-ci par rapport à leur masse ou à leur volume.

La densité énergétique au niveau du pack tient compte de tout ce qui est nécessaire pour faire fonctionner, connecter, refroidir et protéger les cellules :

• Les enveloppes des cellules
• Les structures de modules
• L’enveloppe du pack
• Le système de refroidissement
• Les barres omnibus et le câblage
• Les contacteurs et fusibles
• L’électronique de commande
• La protection contre les collisions
• Les joints et fixations
• Les matériaux d’interface thermique

La densité énergétique gravimétrique du pack est :

Densité énergétique gravimétrique du pack =
Énergie du pack en Wh ÷ Masse totale du pack en kg

La densité énergétique volumétrique du pack est :

Densité énergétique volumétrique du pack =
Énergie du pack en Wh ÷ Volume extérieur du pack en litres

Une cellule à forte densité énergétique peut tout de même produire un pack relativement lourd si elle exige un refroidissement, un confinement ou des équipements structurels importants.

Une chimie de densité inférieure comme le LFP peut obtenir un résultat honorable au niveau du pack grâce à une intégration efficace, mais l’écart de densité au niveau des cellules ne disparaît pas complètement.

Évolution de la densité énergétique des packs

Le tableau utilise l’énergie brute ou nominale publiée par le fabricant plutôt que l’énergie utilisable.

Ces valeurs doivent être considérées comme des exemples représentatifs et non comme une comparaison de laboratoire. Les fabricants ne définissent pas toujours la masse du pack ou l’énergie nominale exactement de la même manière.

Pack batterie	Année ou génération	Capacité brute ou nominale	Masse du pack	Densité calculée
Mitsubishi i-MiEV, spécification américaine	2012	16.3 kWh	165 kg	99 Wh/kg
Tesla Model S 85	2012	85 kWh	Environ 540 kg	Environ 157 Wh/kg
Volkswagen e-Golf	2014	24.2 kWh	318 kg	76 Wh/kg
Audi e-tron 55	2018	95 kWh	Environ 699 kg	Environ 136 Wh/kg
Volkswagen e-Golf, génération 35.8 kWh	2017	35.8 kWh	318 kg	113 Wh/kg
Audi Q4 e-tron, grande batterie	2021	82 kWh	Environ 500 kg	Environ 164 Wh/kg
BYD Seal Long Range, LFP	2022	82.56 kWh	Environ 558 kg	Environ 148 Wh/kg
Audi Q6 e-tron/Porsche Macan Electric	2024	100 kWh	Environ 570 kg	Environ 175 Wh/kg
Renault 5 E-Tech, version 52 kWh	2024	55 kWh	297 kg	185 Wh/kg
Audi e-tron GT, batterie mise à jour	2024	105 kWh	625 kg	168 Wh/kg
Batterie échangeable NIO 100 kWh	Spécification publiée actuelle	100 kWh nominales	555 kg	180 Wh/kg
Batterie NIO Ultra-Long Range 150 kWh	2024	150 kWh nominales	575 kg	261 Wh/kg

Les chiffres du Mitsubishi i-MiEV proviennent d’un rapport d’essai du département de l’Énergie des États-Unis indiquant une énergie nominale de 16.3 kWh et une masse du pack de 363 lb, soit environ 165 kg. (Département de l’Énergie des États-Unis)

Tesla indiquait officiellement une batterie de 85 kWh pour le premier Model S. La masse d’environ 540 kg est une estimation technique couramment citée, et non un chiffre figurant dans les spécifications d’origine de Tesla ; la densité calculée doit donc être considérée comme approximative. (Tesla)

Volkswagen indique officiellement 318 kg pour les deux générations de batteries e-Golf. (VW Press)

En 2018 Audi utilisait, sur l’e-tron, une batterie de 95 kWh pesant environ 699 kg. Cette valeur illustre utilement un pack conçu pour un refroidissement performant, une forte protection structurelle, une recharge répétable et une construction modulaire, plutôt que pour la masse minimale uniquement.

La valeur de la BYD Seal repose sur une masse du pack d’environ 558 kg pour sa Blade Battery LFP de 82.56 kWh. Elle donne environ 148 Wh/kg et constitue une référence moderne utile pour le LFP.

Renault publie officiellement une capacité utilisable de 52 kWh et une masse du pack de 297 kg pour la Renault 5. Le tableau utilise 55 kWh comme valeur de travail EVKX pour la capacité brute, ce qui donne environ 185 Wh/kg. (Renault Irlande)

Audi publie une capacité brute de 105 kWh et une masse de 625 kg pour la batterie mise à jour de l’e-tron GT. (Audi)

NIO publie 555 kg pour ses batteries de 100 kWh et 575 kg pour la version 150 kWh. (NIO)

Les premiers packs de véhicules électriques n’étaient pas tous semblables

Le tableau ne montre pas une progression simple année après année.

Le Mitsubishi i-MiEV et la première e-Golf étaient des systèmes de batterie anciens et prudents, caractérisés par :

• Une capacité modeste
• Une faible puissance de recharge
• Une importante structure de soutien
• Une intégration contrainte par des plateformes petites ou multienergies

La première e-Golf n’atteignait que 76 Wh/kg au niveau du pack.

Le premier Tesla Model S constituait une exception majeure. Sa grande batterie de plancher conçue spécifiquement atteignait environ 157 Wh/kg en 2012 malgré :

• 7,104 petites cellules cylindriques
• 16 modules
• Un refroidissement liquide
• Des milliers de connexions électriques
• Une enveloppe structurelle robuste

Le Model S a montré comment une cellule à haute énergie et un véhicule conçu autour d’un grand pack plat pouvaient surpasser de nombreuses petites batteries des premiers véhicules électriques.

Deux générations de batteries e-Golf

Les deux packs de l’e-Golf offrent une comparaison exceptionnellement claire, car leur masse publiée, leur nombre de cellules, leur nombre de modules et leur tension nominale sont restés identiques.

Spécification	e-Golf 24.2 kWh	e-Golf 35.8 kWh
Capacité nominale	24.2 kWh	35.8 kWh
Masse du pack	318 kg	318 kg
Nombre de cellules	264	264
Nombre de modules	27	27
Tension nominale	323 V	323 V
Densité calculée	76 Wh/kg	113 Wh/kg

La batterie ultérieure stocke environ 48 % d’énergie supplémentaire sans augmenter la masse publiée du pack ni le nombre de cellules.

L’amélioration provient principalement d’une capacité supérieure des cellules plutôt que d’une enveloppe de batterie plus grande.

LFP moderne : Blade Battery de la BYD Seal

La BYD Seal fournit un exemple utile de pack LFP moderne.

Sa Blade Battery de 82.56 kWh pèse environ 558 kg, ce qui donne une densité calculée au niveau du pack d’environ 148 Wh/kg.

Cette valeur est inférieure à celle de plusieurs packs modernes à base de nickel, bien que la Seal utilise une architecture Cell-to-Body efficace.

Le résultat illustre deux effets distincts :

• Les cellules LFP stockent normalement moins d’énergie par kilogramme que les meilleures cellules riches en nickel
• Une intégration efficace du pack réduit, sans le supprimer, le désavantage au niveau des cellules

Le pack de la Seal n’est pas mal conçu. Il privilégie un autre équilibre entre :

• Le coût des matériaux
• La durée de vie en cycles
• La stabilité thermique
• L’intégration du pack
• L’efficacité structurelle

La densité du pack ne doit donc pas être considérée comme un classement complet de la qualité des batteries.

Renault 5 : forte densité dans un petit pack modulaire

La Renault 5 E-Tech se distingue parce que sa batterie compacte atteint environ 185 Wh/kg avec la valeur brute de travail de 55 kWh.

Spécification	Renault 5 E-Tech
Capacité brute utilisée par EVKX	55 kWh
Capacité utilisable officielle	52 kWh
Masse du pack	297 kg
Densité brute calculée	185 Wh/kg
Nombre de modules	4

Le résultat est particulièrement intéressant, car la Renault 5 n’utilise pas de conception CTP sans modules.

Ses quatre grands modules réduisent le nombre de boîtiers, de connecteurs et de composants de soutien répétés par rapport aux packs utilisant de nombreux petits modules.

La Renault montre ainsi qu’une bonne densité de pack ne nécessite pas la suppression complète du niveau des modules.

Batteries échangeables NIO de 100 ainsi que 150 kWh

Les batteries NIO de 100 ainsi que 150 kWh offrent une autre comparaison révélatrice, car elles sont toutes deux compatibles avec l’interface d’échange de batteries de l’entreprise.

Spécification	NIO 100 kWh	NIO 150 kWh
Capacité nominale	100 kWh	150 kWh
Masse du pack	555 kg	575 kg
Densité calculée	180 Wh/kg	261 Wh/kg
Différence de masse	—	20 kg de plus
Différence d’énergie	—	50 % de plus

La batterie de 150 kWh stocke 50 % d’énergie nominale supplémentaire, tout en ajoutant seulement 20 kg par rapport à la spécification publiée du pack de 100 kWh.

Sa densité calculée d’environ 261 Wh/kg est très supérieure aux exemples généralistes du tableau.

Elle ne doit pas être considérée comme représentative du marché plus large des véhicules électriques. Le pack emploie une conception de cellule spécialisée à haute énergie et a été déployé par l’intermédiaire du système de mise à niveau et d’échange de batteries de NIO.

Pourquoi les valeurs de densité des packs ne sont pas parfaitement comparables

Les comparaisons de densité des packs exigent de la prudence.

Les fabricants peuvent définir différemment :

• La capacité brute
• La capacité nominale
• La masse totale du pack
• La masse du liquide de refroidissement
• La masse du boîtier de jonction
• La protection du soubassement
• Les composants structurels partagés
• Une spécification de production ou de prototype

Les exigences des véhicules diffèrent également.

Un véhicule électrique performant peut nécessiter davantage de :

• Refroidissement
• Capacité des barres omnibus
• Équipements acceptant un courant élevé
• Protection contre les collisions

Un SUV ou un véhicule tout-terrain peut nécessiter une enveloppe plus lourde qu’une citadine compacte.

Une batterie échangeable exige des interfaces structurelles et mécaniques inutiles pour un pack installé de manière permanente.

Un pack de densité inférieure peut néanmoins offrir :

• Une recharge plus rapide et plus reproductible
• Un meilleur refroidissement
• Une protection supérieure contre les collisions
• Un remplacement plus facile des modules
• Une puissance soutenue plus élevée
• Une durée de vie plus longue
• Un coût de production inférieur

La densité au niveau du pack est utile, mais elle ne constitue pas une note complète de qualité de la batterie.

Ce que l’architecture du pack signifie pour l’acheteur d’un véhicule électrique

La configuration du pack n’est normalement pas une caractéristique qu’un acheteur doit comparer directement.

Une batterie 180s1p n’est pas intrinsèquement meilleure qu’une batterie 96s46p.

Ce qui compte au quotidien est le résultat de la conception complète :

• La capacité utilisable de la batterie
• Le rendement du véhicule
• La courbe de recharge
• La recharge par temps froid
• Le préconditionnement de la batterie
• La puissance continue et maximale
• La dégradation
• La gestion thermique
• La couverture de garantie
• La protection contre la propagation thermique
• Les possibilités de réparation du pack et des modules
• Le coût de remplacement après un dommage

Une tension plus élevée peut aider un véhicule électrique à atteindre de fortes puissances de recharge et de chaîne de traction, mais la tension seule ne détermine pas la vitesse de recharge.

Le Cell-to-Pack et l’intégration structurelle peuvent réduire la masse et améliorer l’intégration. Ils peuvent aussi modifier les procédures de réparation et accroître les conséquences d’un dommage sous le soubassement ou à la structure.

Un pack modulaire peut offrir davantage de possibilités de réparation, mais uniquement lorsque les pièces de remplacement, les diagnostics et les procédures approuvées sont disponibles.

La meilleure architecture de pack batterie est celle qui atteint les objectifs du véhicule en matière de :

• Performances
• Autonomie
• Recharge
• Sécurité
• Durabilité
• Coût de production
• Intégration
• Facilité d’entretien

L’acronyme le plus récent ne désigne pas automatiquement la meilleure batterie.

Pour découvrir les couches de protection qui entourent les cellules et le pack complet, consultez Sécurité des batteries de véhicules électriques et gestion des défaillances.

Sources

• Capacité et recharge de la batterie de l’Audi Q8 e-tron
• Batterie et recharge du Porsche Macan
• Essais de la batterie du Mitsubishi i-MiEV par le département de l’Énergie des États-Unis
• Dossier de presse de la Volkswagen e-Golf
• Batterie haute tension Audi PPE
• Manuel utilisateur de la NIO ET7
• Système haute tension du Porsche Cayenne Electric
• Technologies de batterie et d’énergie du groupe Volkswagen
• Spécifications du Tesla Model S
• Spécifications de la Renault 5 E-Tech
• Batterie haute tension de l’Audi e-tron GT