L'objectif technique est d'équilibrer idéalement la densité énergétique et la capacité de charge

Les véhicules électriques doivent être adaptés à un usage quotidien.

Parmi les critères d'achat de la voiture électrique, on retrouve l'autonomie et la capacité de charge des batteries haute tension intégrées.

Les techniciens des cellules de batteries sont donc confrontés à un exercice d'équilibrisme qui les oblige à maintenir les temps de charge au moins à un niveau constant tout en augmentant la densité énergétique des cellules de batteries.

Le conflit réside dans le fait que plus la densité énergétique est élevée, plus il faut de temps pour charger la cellule.

Afin de pouvoir charger rapidement une grande quantité d'énergie, la capacité de charge est un point prioritaire dans le développement des projets.

"Nous avons un boîtier limité à notre disposition, dans lequel nous devons conditionner autant d'énergie que possible", commente Rieger, expert en cellules au centre d'essai des batteries Audi à Gaimersheim. "Mais nous voulons aussi pouvoir le recharger le plus rapidement possible".

Dans ce domaine, l'Audi e-tron GT quattro fait aujourd'hui figure de référence : Les cellules de la batterie haute tension de 93 kWh utilisée dans l'Audi e-tron GT quattro peuvent se charger de 5 à 80 % avec 270 kW de puissance en 22,5 minutes dans des conditions idéales.

L'Audi e-tron, qui a été commercialisée pour la première fois en 2019, est considérée comme une référence avec sa courbe de charge unique en forme de plateau, où la puissance de charge allant jusqu'à 150 kW est disponible pendant une grande partie du processus de charge.

"Nous investissons beaucoup de temps dans le développement de cellules et d'une utilisation de courant idéalement contrôlées pour obtenir un temps de charge aussi rapide que possible, associé à un rendement élevé et à une longue durée de vie", explique Rieger. À Gaimersheim, l'attention ne se limite donc pas aux seules cellules de batterie : L'ensemble du système de batterie avec son électronique, son système de gestion thermique et sa périphérie haute tension sont tout aussi pertinents pour le concept de charge rapide d'Audi. "Nos systèmes sont conçus dès le premier jour avec la charge rapide en tête, car il est très difficile d'augmenter la capacité de charge par la suite. Seul un ensemble parfaitement équilibré où chaque détail compte dès la première phase permettra d'atteindre les propriétés de charge souhaitées."

Audi conçoit, développe et contrôle les cellules et les composants de ses batteries dans son centre d'essai de batteries de Gaimersheim.

Noir, rouge, or - ces couleurs indiquent l'état de charge d'une cellule de batterie.

Pendant la charge, les ions de lithium sont déposés dans l'anode en graphite, et le graphite change de couleur en fonction de l'état de charge.

Lorsqu'il est déchargé, le graphite est noir ; à moitié chargé, il devient rouge ; et lorsqu'il est complètement chargé, le graphite est doré.

"Cela nous permet de voir et d'évaluer l'état de charge", explique le Dr Bernhard Rieger, expert en cellules au centre d'essai des batteries Audi à Gaimersheim.

Une électrode se charge le plus rapidement là où le nombre d'ions lithium est le plus élevé.

Il en résulte un gradient d'état de charge. Idéalement, tout serait de la même couleur. Mais cela nécessiterait une électrode extrêmement fine qui, à son tour, aurait une capacité négligeable. "Lorsqu'il s'agit de charger rapidement des cellules lithium-ion, tout l'art consiste à contrôler précisément le courant pour éviter de surcharger l'anode dans les zones dorées. Cela entraînerait un vieillissement prématuré", explique M. Rieger. "Cela signifie que notre tâche consiste à assurer le fonctionnement idéal des cellules lithium-ion pour obtenir la meilleure autonomie et les meilleures performances de charge possibles." Pour les clients Audi, cela garantit un véhicule électrique à batterie offrant à la fois une excellente autonomie et des performances de charge. "Une fois que le besoin fondamental d'autonomie a été réalisé, la question de la capacité de charge devient plus pertinente", ajoute Rieger.

Outre les critères de densité énergétique et de capacité de charge, les cellules de la batterie répondent également à des normes élevées en matière de durée de vie et de sécurité.

À cette fin, les cellules individuelles et le système de batterie dans son ensemble doivent passer des tests.

Chaque projet de véhicule implique une variété de tests de durée de vie et de charge rapide sur plusieurs centaines de cellules.

Les cellules doivent être soumises à différents profils de charge et d'utilisation que les techniciens de Gaimersheim réalisent dans des chambres climatiques à des températures comprises entre moins 30 et plus 60°C.

"Nos tests et contrôles commencent dès la phase d'échantillonnage, environ quatre ans avant le début de la production, afin de nous laisser le temps de procéder à des réajustements si nécessaire", explique Rieger, expert en cellules.

Afin d'évaluer les phénomènes de vieillissement des cellules, celles-ci sont exposées à des températures élevées pendant environ un an. Cela permet de simuler une durée de vie en voiture allant jusqu'à 15 ans. Les bancs d'essai de durée de vie à Gaimersheim permettent également aux techniciens d'accélérer les scénarios de reconstitution de kilométrage d'environ 300 000 kilomètres.

Les autres tests comprennent des essais de collision et de surcharge ainsi que divers tests de sécurité.

Divers scénarios de conduite peuvent être simulés afin d'optimiser la stratégie de fonctionnement des composants haute tension ou la gestion thermique.

"Cette application nous permet d'effectuer les meilleurs réglages possibles sur nos batteries", explique M. Rieger. "Les nouveaux résultats des mesures des cellules sont redirigés directement vers les modèles de batteries virtuelles afin que nous puissions observer les effets sur le véhicule."

Gaimersheim abrite également une installation de construction pour les batteries prototypes , dans laquelle les employés construisent les batteries haute tension de A à Z jusqu'à la production en présérie.

"À Gaimersheim, nous avons la compétence pour affiner la conception et la stratégie opérationnelle de nos cellules afin d'obtenir des propriétés parfaites pour la marque Audi", résume Rieger.

"Comment exploiter et construire une batterie pour en tirer le meilleur parti ? C'est une question à laquelle nous répondons chaque jour au centre d'essais de batteries de Gaimersheim."