Quelle batterie pour un vélo électrique ?

Une batterie Lithium : oui mais laquelle ?

La batterie est un des éléments essentiels de votre vélo électrique. D'abord parce que son coût représente 30 à 40% du prix total du vélo, ensuite parce que sa capacité à franchir facilement les côtes est primordiale et enfin parce que son autonomie et sa durée de vie doivent vous satisfaire en toute occasion.

Bien qu’actuellement la grande majorité des vélos électriques soit équipés de batteries Lithium, on trouve encore quelques modèles équipés de batteries plomb (3 fois plus lourdes). Cette technologie s’avère beaucoup moins chère que le Lithium mais avec un certain nombre d’inconvénients (voir tableau ci-après).

Concernant le Lithium, il existe plusieurs technologies de batterie plus ou moins adaptées aux matériels.

 

Quelle technologie Lithium pour un VAE ?

LFP -> Sécurité, Longévité, Puissance et Environnement

NMC -> Faible poids, faible volume

 

Parmi les batteries Lithium-ion destinées aux VAE, 5 types de technologies sont généralement proposées. Elles fonctionnent toutes sur le principe d’échange des ions Lithium pendant la décharge entre l’électrode positive (cathode) constituée le plus souvent d’un oxyde de métal lithié (dioxyde de cobalt, manganèse ou phosphate de fer) et l’électrode négative (anode) constituée de graphite. L’échange inverse se produit pendant la charge (anode vers cathode).

 

1-Les batteries Lithium et Oxyde de Manganèse (LMO ou LiMnO2) à électrolyte liquide (solution saline) et cathode principalement à base d’Oxyde de Manganèse et de Lithium. Sa structure dite de spinelle en trois dimensions lui apporte plusieurs avantages comme une résistance interne très faible, une meilleure stabilité thermique et donc une sécurité accrue, mais sa durée de vie reste assez limitée. Dans certaines conditions d’utilisation extrêmes (chocs, température >80°C, forte charge, court-circuit), elles peuvent présenter un caractère de dangerosité (incendie ou explosion) dû au relâchement d’oxygène des cathodes qui favorise l’inflammation et/ou à une fuite de la solution électrolyte liquide. Grâce à leur résistance interne faible, elles supportent de fortes puissances de charge et décharge. On les retrouve assez souvent sur les véhicules électriques et les VAE en particulier.


2-Les batteries Lithium et Oxyde de Cobalt (LCO ou LiCoO2) à électrolyte liquide (solution saline) et cathode principalement à base d’oxyde de cobalt et de Lithium. Ce type de batterie offre une énergie massique élevée (plus de Wh par Kg) par rapport aux autres batteries Lithium mais pèche par une faible puissance spécifique (charge et décharge), une courte durée de vie et une faible stabilité thermique. Les risques d’incendie et d’explosion sont présents à cause de réactions exothermiques possibles à pleine charge et à forte puissance. Son utilisation se retrouve surtout sur des appareils légers de faible puissance tels que les téléphones cellulaires, les ordinateurs portables et appareils photos numériques.

 

3-Les batteries Lithium et Nickel-Manganèse-Cobalt (NMC ou LiNiMnCO) à électrolyte liquide (solution saline) et cathode à base de Nickel, de Manganèse et une teneur en Cobalt réduite. Le secret des batteries NMC réside dans la combinaison Nickel-Manganèse qui améliore la performance de la batterie. Le Nickel est connu pour sa haute énergie spécifique (plus de Wh par Kg), mais une mauvaise stabilité  alors que le Manganèse avec sa structure de spinelle offre une très basse résistance interne mais une faible énergie spécifique (puissance). La savante combinaison des métaux  offre le meilleur des deux, mais sa puissance de charge et décharge reste moyennement limitée, tout comme sa durée de vie. Les risques d’incendie ou explosion, même s’ils sont moindres, existent toujours à cause des émanations d’oxygène de la cathode et des risques de fuite de la solution liquide. L’utilisation des batteries NMC est très répandue sur les outils électriques, les vélos électriques et d’autres appareils de traction électrique.


4-Les batteries Lithium et Phosphate de Fer (LFP ou Li-Fe-PO4) à électrolyte à base de carbonate d’éthylène et cathode à base de phosphate de fer et de Lithium. Ce sont les batteries les plus robustes qui encaissent de fortes intensités de décharge en continu. Leur durée de vie est beaucoup plus longue que celle des autres technologies Lithium-ion, mais leur énergie spécifique reste moins élevée (moins de Wh par Kg). Bien que le phosphate de fer utilisé soit moins onéreux que les métaux plus rares comme le Nickel et le Cobalt, son prix est encore équivalent aux autres. Concernant l’impact sur l’environnement, les batteries Lithium Phosphate de Fer se recyclent mieux du fait qu’elles ne contiennent pas de métaux toxiques. De plus la cathode au phosphate de fer est très stable et ne relâche pas d’oxygène responsable des explosions et incendies des autres batteries Lithium-ion. Cette stabilité thermique apporte une excellente sécurité en cas d’utilisation extrême et d’abus. On retrouve les batteries LFP sur les démarreurs électriques, les véhicules électriques en général (y compris les vélos et les scooters électriques).

 

5-Les batteries Lithium-Polymère (LIPO ou LiPoly) à électrolyte en polymère gélifié (non liquide), ce qui les rend plus sûres. Elles possèdent une énergie spécifique assez élevée, ce qui en fait les plus légères mais aussi les moins performantes en courant de charge et décharge, en perte de capacité et donc en longévité. Enfin leur prix reste assez élevé. De part leur électrolyte gélifié, elles présentent moins de risque de fuite mais ne sont pas à l’abri d’un risque d’incendie par hausse anormale de température. On les retrouve surtout dans le modélisme.

 

6-Protection BMS

Les batteries au Lithium sont généralement équipées d’un circuit électronique appelé « BMS » (Battery Management System). Le rôle du circuit BMS est principalement de protéger la batterie des utilisations excessives ou inappropriées et particulièrement contre les sous charges (tension trop basse lorsque la batterie est déchargée) ou les surcharges (surtension, surintensité ou court-circuit).

Certains BMS proposent aussi une fonction  d’équilibrage des cellules pendant la charge pour palier au problème de décharges inégales des cellules qui ne sont pas rigoureusement identiques en sortie de fabrication. Cet équilibrage assuré par un circuit électronique plus ou moins complexe ne répare pas les cellules endommagées mais permet de les faire durer un peu plus longtemps en les inhibant plus ou moins.

 

7-Tableau comparatif des technologies Lithium

  comparatig batterie lithium

Pour les utilisations les plus courantes comme l’urbain et la randonnée où l’on privilégie les fortes capacités et une bonne autonomie, Tomybike a choisi la technologie LFP (LiFePO4), la plus avantageuse en termes de performances et de durée de vie. Elle offre encore d’autres avantages, en particulier une grande puissance instantanée sans risque d'inflammation (pas d'émanation d'oxygène due à la nature de la cathode Phosphate de fer). Le phosphate de fer, non toxique, permet aussi un meilleur recyclage par rapport au Cobalt ou autres produits toxiques que l'on retrouve habituellement sur les autres batteries Lithium-ion. Tous ces critères la place en première position, même si son énergie spécifique (Wh/Kg) inférieure aux autres semble être un inconvénient. En effet, à capacité égale, une batterie LFP pèsera environ 1Kg de plus qu’une NMC et sera un peu plus volumineuse, ce qui ne se ressent absolument pas sur un vélo à assistance électrique. C’est comme si vous pesiez 76Kg au lieu de 75. Dans ce cas, le poids de la batterie n’est pas un critère important.

 

Pour une utilisation plus sportive (les VTT électriques en particulier) où l’on privilégie avant tout le poids et l’encombrement,  Tomybike a choisi la technologie NMC (LiNiMnCo) qui offre la meilleure densité massique (plus de Wh par Kg et moins de volume) malgré une puissance de pointe moins élevée et une durée de vie plus courte. Son faible encombrement la rend assez discrète et favorise l’esthétique générale du vélo électrique, ce qui semble être un critère tout aussi important que le poids, voire plus.

 

Quelle tension batterie ?

à partir de 36V -> puissance

La puissance électrique disponible pour alimenter le moteur dépend de la capacité en A/h et de la tension de la batterie qui se mesure en volts (V). Le choix à partir de 36V vous apportera la puissance nécessaire au démarrage et dans les côtes.
Une batterie de 24V/10A délivrera une puissance « 1C » maximum de 240 W inférieure à la puissance nominale du moteur (250 W), alors qu'une batterie de 40V/10A délivrera une puissance « 1C » maximum de 400 W et une batterie 40V/16A délivrera 640 W.

Un moteur de 250 W demande une puissance nominale de 250 W mais pourrait monter jusqu’à 750W si la difficulté du terrain le demande et si le controller le permet. Un controller de 15A en 36V (le plus utilisé) limite la puissance maxi moteur  à 540W. Une batterie de 40V permettra de délivrer un maximum de puissance instantanée de 600W dans les côtes ou au démarrage.

 

Tomybike ne propose rien en dessous de 36V pour ses VAE

Quelle capacité batterie ?

400WH -> minimum pour ne pas être décu

640Wh -> sérénité

La capacité de la batterie est l'équivalent de la contenance d'un réservoir de carburant. Elle se mesure en Ampères par heure (Ah) ou en Watt par heure (Wh). Elle vous apportera l'autonomie et donc le nombre de Km que vous pouvez parcourir sans recharger la batterie. Plus la capacité est élevée, plus grande est l'autonomie.

La capacité vous apportera aussi la valeur du courant maxi de décharge. Plus la capacité est élevée, plus la valeur du courant de décharge sera élevée pour mieux répondre à la demande du controller et du moteur.

Enfin la capacité à une influence non négligeable sur la durée de vie de la batterie. Plus sa capacité sera élevée, plus elle permettra de rester dans la plage de décharge « 1C » et meilleure sera sa longévité.

capacité batterie vélo électrique

Tomybike à choisi de proposer 2 capacités batterie : 400Wh et 640Wh. 

Les capacités inférieures n'ont pas été retenues car trop faibles pour assurer un bon service.

Comment calculer l’autonomie d’un VAE ?

2 à 3Wh/Km -> trop économique à impossible à tenir

4Wh/Km -> très économique à difficile à tenir

7Wh/Km -> économique à assez facile à tenir

10Wh/Km -> intensif et  assistance au maxi

C’est assez simple de calculer l’autonomie moyenne d’un vélo électrique. Il suffit de diviser sa capacité (en WH) par une consommation moyenne de 7Wh/Km et l’on obtient le nombre de Km. Pour mémoire, la capacité en Wh s’obtient en multipliant la tension en Volt par la capacité en Ah.

Même si l'autonomie dépend en premier lieu de la capacité de la batterie, elle dépend aussi de deux autres facteurs: le poids du cycliste et le niveau d’assistance électrique demandé (niveau faible, moyen ou fort). En fonction de ces critères, l’autonomie peut varier énormément.

 Les hypothèses suivantes prennent en compte :

-3 réglages différents d’assistance (bas, moyen et haut)

-Un pois cycliste variant de 50 à 110Kg

-6 capacités de batterie de 200 à 700Wh.

 

En se basant sur un parcours moyennement vallonné (25% de côtes), on peut prétendre aux autonomies suivantes:

 

Autonomie réelle d’un VAE en conduite économique :

Niveau moyen d’assistance électrique, consommation 7Wh/Km (Hypothèse1)

Cette consommation dite économique est obtenue que par une assistance électrique réglée à son niveau moyen entre maxi et mini. Cette consommation 7Wh/Km peut être prise en référence pour calculer une autonomie économique au plus près de la réalité.

Autonomie de 20Km (200Wh/110Kg) à 150Km (700Wh/50Kg)

Soit pour une batterie de 400Wh et un cycliste de 75Kg une autonomie d’environ 55 Km

 

 Autonomie réelle d’un VAE en mode Eco

Autonomie maximum avec une conduite très économique :

Niveau faible d’assistance électrique, consommation 5Wh/Km (hypothèse2)

Cette très faible consommation ne peut être obtenue que par une assistance électrique réglée à faible niveau proche du minimum.

Autonomie de 27Km (200Wh/110Kg) à 210Km (700Wh/50Kg)

Soit pour une batterie de 400Wh et un cycliste de 75Kg une autonomie d’environ 80 Km

 Autonomie maximumd'un vélo électrique avec une conduite très économique

Autonomie minimum et puissance maximum :

èNiveau maximum d’assistance électrique, consommation 10Wh/Km (hypothèse3)

Autonomie de 15Km (200Wh/110Kg) à 105Km (700Wh/50Kg)

Soit pour une batterie de 400Wh et un cycliste de 75Kg une autonomie d’environ 40 Km

 Autonomie minimum et puissance maximum d'un vélo électrique

Voir ici comment bien gérer sa batterie

 

Quelle durée de vie pour une batterie Lithium ?

Une durée de vie de 6 à 7 ans, c’est possible !

La durée de vie d’une batterie se mesure en nombre maximum de cycles de recharge avant que ses performances baissent en dessous de 80%.

Nombre de cycles batteries Lithium

2000 cycles et kilométrage illimité c’est mieux !

 

Alors que la plupart des batteries au Lithium-ion ont une durée de vie de 400 à 800 cycles, voire 1000 cycles, les batteries Lithium LiFePO4 acceptent sans problème 2000 cycles de charge et décharge, voire plus.

En prenant l'exemple d'une batterie Lithium Manganèse avec 40 km de trajet par jour et une utilisation de 250 jours par an, la durée de vie moyenne sera de 1an1/2 sur la base de 2 recharges par jour (soit 500 cycles par an) et 3 ans sur la base d'une recharge tous les jours (soit 250 cycles par an), alors que la batterie LiFePO4 permettra 3 à 4 fois plus soit 4 à 8 ans.

Tomybike propose des batteries LFP (LiFePO4) sur ses modèles « randonnées », urbains et pliables.

 

Profondeur de décharge Batterie Lithium

Respecter la règle « 1C » -> meilleure longévité

 

« 1C » signifie que le courant de décharge est égal à 1 fois la capacité de la batterie en Ah.

 

Pour garantir la meilleure longévité d’une batterie, il faut éviter les décharges profondes. Une décharge profonde se mesure par rapport à la capacité de la batterie appelé couramment « C ». L’idéal est de ne pas dépasser « 1C », soit un courant de décharge de 10A pour une capacité de 10A. Pour ce faire, il faut que la capacité en Ah soit au moins égale au courant maximum délivré par le controller. Par exemple avec un controller de 15A, la capacité de la batterie devrait-être d’au moins 15Ah.

Malgré tout, une batterie Lithium peut supporter aisément un courant de décharge supérieur sa capacité mais sa durée de vie s’en trouvera plus ou moins raccourcie suivant l’importance du courant de décharge et la technologie de la batterie. Attention toutefois à bien respecter les consignes du constructeur en matière de puissance de charge, de décharge et d’emballement thermique.

 

Tomybike préconise ses batteries 640Wh (16Ah)

 

Quel chargeur pour quelle batterie ?

Chargeur spécifique à pour chaque technologie de batterie

Un vélo électrique est livré avec un chargeur spécifique lié à la technologie de la batterie. Aucun autre chargeur que celui fourni ne doit être utilisé. La notion de chargeur standard n'existe pas. Chaque technologie de batterie possède son propre chargeur, ceci principalement à cause de la tension de charge maxi qui diffère suivant la technologie. A titre d’exemple, une batterie NMC 36V (10 éléments de 3,6v) se chargera à 42V maxi (10 x 4,2V) alors qu’une batterie LFP 40V (12 éléments de 3,3v) se chargera à 44,4V maxi (12 x 3,7V).

Le chargeur devra être de type « courant constant et tension constante » (CC/CV), ce qui signifie qu’il charge d’abord la batterie à courant constant jusqu’à atteindre la tension maxi. Il reste ensuite sur cette tension constante et continue la charge en descendant progressivement le courant jusqu’à une valeur proche de zéro. La charge est alors terminée.
Le chargeur se branche sur une prise de courant classique. La batterie peut rester sur le vélo ou être enlevée de son socle pour être rechargée. La charge peut durer de une à cinq heures selon le niveau de décharge de la batterie et la puissance du chargeur (en Ampères). Si la batterie est vide, le temps de recharge maximum est de 5 heures pour une batterie de 10 Ah avec un chargeur de 2 A ou une batterie de 16 Ah avec un chargeur de 3 A.
On ne doit pas attendre une décharge complète avant la recharge. Si une batterie Lithium NMC préfère de faibles décharges et donc des recharges plus fréquentes, une batterie LFP supporte mieux une décharge plus importante avant la recharge. Dans tous les cas, il vaut mieux recharger sa batterie dès que le vélo électrique rentre d’un parcours urbain ou d’une randonnée.

Lorsque le vélo n'est pas utilisé, la batterie doit être chargée au moins une fois par mois, voire une fois tout les 2 mois pour une meilleure conservation. Une batterie qui ne sert pas s’use quand même.

Les chargeurs Tomybike sont de type CC/CV

 

Quelle garantie pour une batterie Lithium

Garantie -> au moins 2 ans et nombre de cycles illimité.

 

La garantie annoncée par les constructeurs de batteries est aussi un gage de qualité. Plus la garantie est longue pour un nombre de cycles de recharge illimité, plus le constructeur s’engage sur la qualité de sa production.

A ce jour, la plupart des constructeurs proposent 12 mois de garantie sur les batteries. Un petit nombre proposent 18 mois et peu proposent un vrai 24 mois avec un nombre de cycles de recharge illimité. Une garantie de 24 mois ou 600 cycles de recharge peut être très restrictive. Par exemple, si vous utilisez quotidiennement votre VAE et que vous rechargiez la batterie 2 fois par jour, sa durée de vie risque d’être inférieure à 1 an. Attention donc à la durée et au nombre de cycles couverts par la garantie.

TOMYBIKE a choisi les batteries LFP (LiFePO4) pour leur garantie de 24 mois et un nombre de cycles illimités.

Cliquez sur les liens ci-dessous pour avoir plus de détails :

1-      Pourquoi un vélo électrique

(pour en savoir plus sur l'utilité d'acquérir un vélo électrique)

2-      l’utilisation envisagée

(pour en savoir plus sur les programmes possibles, la corpulence du cycliste, les normes et les prix)

4-      les autres composants électriques

(pour en savoir plus sur le moteur, le controller, les capteurs et les panels de contrôle)

5-      la puissance du VAE

 (pour savoir comment définir la puissance d'un vélo électrique)