Suite à mon article précédent, nous savons que l’autonomie d’un VÉ est grandement influencée par la température ambiante.  Mais une question demeure,  pourquoi les VÉ perdent-ils autant d’autonomie en hiver?

C’est précisément ce que je vais tenter de répondre au cours de cet article en observant les différents facteurs ainsi que le fonctionnement de la batterie Lithium-ion (Li-ion).

Pour compléter cet article, je vais également comparer le fonctionnement d’un VÉ par rapport à un véhicule à essence.

Pourquoi un VÉ perd-il de l’autonomie en hiver?

Avant de commencer, il faut savoir que tous les véhicules perdent de l’autonomie en hiver, qu’ils soient électriques ou à essence.

On le remarque moins avec un véhicule à essence, puisque on s’attarde peu à surveiller l’autonomie disponible.  Avec un véhicule à essence, on se concentre principalement sur l’état du réservoir d’essence : plein, au 3/4, à moitié ou au 1/4.  Sans y porter attention, un véhicule à essence peut perdre facilement 25% d’autonomie par temps froid.  On arrête alors plus souvent à la station-service et c’est tout.

Pour ce qui est des VÉ, la perte d’autonomie en hiver est beaucoup plus considérable.  Perdre 50% d’autonomie selon les conditions peut être une réalité.  Mais pourquoi?

Les facteurs communs

Pour commencer il y a les facteurs communs aux deux types de véhicule :

Les pneus d’hiver, généralement plus mous et collant plus au sol, viennent augmenter la résistance de roulement au sol, ce qui signifie qu’il faut plus d’énergie pour combattre cette résistance.  Donc une consommation d’énergie plus élevée est nécessaire pour déplacer le véhicule (sur la photo, le symbole d’une montagne avec un flocon que l’on retrouve sur le pneu indique qu’il s’agit bien d’un pneu d’hiver);

Les conditions routières que l’on obtient suite aux accumulations de neige ou de glace sur la route occasionnent une résistance accrue au roulement et/ou une perte d’adhérence selon le cas, ce qui augmente la consommation d’énergie pour se déplacer.

Personnellement, au volant de ma Leaf de 24 kWh, il m’est arrivée d’obtenir une moyenne de 1.5 km/kWh sur un chemin en pente ascendante, non déneigée, avec une accumulation de neige lourde au sol de plus de 12.5 cm (5″).  La batterie du véhicule était peu réchauffée également.

Heureusement que la distance à parcourir fut courte!  Sur la photo ci-haut, preuve à l’appui, l’écran info-énergie de la Leaf 2015.

Le climat en hiver est généralement plus favorable à la formation de vents forts et lorsqu’il est de face, le véhicule doit consommer plus d’énergie pour maintenir sa vitesse.  Par exemple, à 100 km/h sur une autoroute, un vent de face de 40 km/h occasionnera une consommation d’énergie semblable à un déplacement à 140 km/h sans vent.

La densité de l’air en hiver est plus grande, ce qui fait en sorte d’augmenter la quantité d’énergie nécessaire pour déplacer le véhicule à travers cette masse d’air plus lourde.

Pensons simplement à un bidon de lave-glace vide mais bien étanche.  Sortez-le à l’extérieur alors qu’il fait -20°C, ce dernier va s’atrophier lorsque l’air à l’intérieur se refroidira et deviendra plus dense.  Par conséquent, la même quantité d’air devient plus compacte.

A l’inverse, ouvrez le bouchons à l’extérieur pour y laisser pénétrer l’air froid et le bidon reprendra sa forme.  Refermez-le et entrez-le dans la maison.  Il prendra une forme bombée prêt à éclater au fur et à mesure que l’air à l’intérieur prendra la température ambiante.  Ainsi, la même quantité d’air deviendra moins dense et prendra de l’expansion.  Par conséquent, une voiture nécessitera alors moins d’énergie pour se déplacer à travers cette masse d’air plus légère.

Sur la photo ci-contre, en observant attentivement l’étiquette du bidon, on peut apercevoir que le bidon de gauche est plus gonflé que celui de droite.  Au Centre le même bidon à son état normal.

Bien qu’il soit impossible de l’observer sur la photo de gauche, la base du bidon de gauche est devenue complètement bombée, le bidon était en équilibre sur une très petite surface.

La différence entre les VÉ vs les véhicules à combustion

Alors comment expliquer la perte d’autonomie accrue des VÉ?

Le chauffage, qui n’est pas la principale cause de la perte d’autonomie en hiver mais en fait la seconde, utilise l’énergie de la batterie pour générer de la chaleur.

Ironiquement c’est en raison de l’efficacité supérieure des moteurs électriques par rapport aux moteurs à essence que les VÉ perdent plus d’autonomie par temps froid.

Puisque l’énergie consommée par un moteur à essence est perdue à raison de 68 à 72% en chaleur, une partie de cette chaleur est alors récupérée pour réchauffer l’habitacle.

A l’inverse le moteur électrique des VÉ est beaucoup plus efficace, puisque 69 à 73% de l’énergie consommée sert à mouvoir les roues et ce, sans compter la récupération d’énergie au freinage.

Par conséquent, un moteur électrique génère très peu de chaleur.  Pour chauffer son habitacle, un VÉ doit alors produire un supplément de chaleur à l’aide d’une thermopompe, ou d’un élément chauffant tel un séchoir à cheveux, tous deux distincts du moteur.

Pour illustrer comment l’énergie est consommée, voici un comparatif entre un véhicule à essence et un véhicule électrique, selon l’information fournie par le site officiel du Département de l’Énergie des États-Unis.

Note : « Autres systèmes » comprend entre autres : les pompes à eau, essence et huile, le démarreur, le système de contrôle du moteur, etc.

Note : « Systèmes auxiliaires » comprend entre autres : le ventilateur, les sièges et volant chauffant, les phares, etc.

En plus de ses excellentes performances énergétiques, un VÉ peut récupérer près de 17% d’énergie au freinage ou moindre en décélération.  Au lieu de perdre la totalité de son énergie de freinage en usure des plaquettes de freins et en chaleur, un VÉ recharge sa batterie et prolonge son autonomie.

Par conséquent, on pourrait dire que l’énergie totale dédiée à la puissance des roues est d’environ 86 à 90%.

Toutefois, il faut souligner que ces graphiques n’illustrent pas la consommation d’énergie en hiver.  Si le système de chauffage des véhicules à essence récupère une partie de la perte de chaleur du moteur, un VÉ en hiver pourrait facilement générer une consommation d’énergie supplémentaire d’au moins 20 % pour produire de la chaleur et réchauffer l’habitacle à partir de l’énergie disponible dans sa batterie.

Sur la photo ci-contre, voici un exemple que le moteur d’un VÉ dégage très peu de chaleur.  Après l’utilisation de cette Nissan Leaf 2019 sur une distance de plus de 26 km durant la journée, l’accumulation de neige glacée sur le capot n’a pas fondu.

Sur la photo ci-contre, l’écran de consommation d’énergie en temps réel de la Nissan Leaf 2015 équipée d’une thermopompe, indique dans le cas présent qu’en désactivant le système de chauffage, nous pourrions gagner 17 km, d’autonomie.  Bien qu’il s’agisse d’une mesure très approximative dans le cas de la Leaf et que les Leaf de cette génération étaient réputées pour exagérer les distances totales parcourables (Guess-O-Meter),  nous pourrions supposer dans le cas présent que plus de 15% de l’énergie de la batterie serait dédiée au système de chauffage.

La batterie et sa faible tolérance au froid est véritablement la principale raison de la perte d’autonomie d’un VÉ.

Voyons maintenant pourquoi.

La batterie Li-ion et le froid

Le fonctionnement

Pour comprendre l’impact du froid sur une batterie Li-ion, voici de manière très simplifiée les composantes d’une batterie :

L’efficacité de la batterie réside dans sa capacité à convertir l’énergie chimique en énergie électrique.  Pour générer un courant électrique, les électrons doivent partir de l’anode (-), traverser un séparateur et se rendre à la cathode (+).  Pour se déplacer, les électrons doivent « nager » dans un électrolyte de liquide ou de gel.

De façon grossière, plus la température diminue, plus les électrons deviennent léthargiques et plus ils ont de la difficulté à nager dans une solution qui devient de plus en plus dense (l’électrolyte).

Par conséquent, l’électron nécessite plus d’énergie pour se déplacer et il en reste moins pour répondre aux besoins du moteur.  De plus, aux extrémités, les réactions à la cathode et l’anode diminuent et les réactions chimiques sont plus lentes.

De manière imagée, la batterie devient engourdie et s’épuise plus rapidement.  En la sollicitant par temps froid, elle se décharge plus rapidement et il en résulte une perte d’autonomie.

Concrètement, nous pouvons dire alors que la conductivité diminue et que la résistance électrique augmente lorsque la température diminue.

Recharger une batterie Li-ion par temps froid

Pour les mêmes raisons que celles énoncées précédemment et tel qu’expérimenté dans mon article précédent, la recharge de la batterie Li-ion par temps froid nécessitera beaucoup plus de temps.

Même principe pour la régénération au freinage, elle sera moins efficace par temps froid.  Lorsque la batterie n’est pas suffisamment réchauffée, le système limitera l’énergie pouvant être emmagasiné dans la batterie au freinage.  A ce moment, ce sont les plaquettes de frein qui prendront le relais.

Tesla pour sa part a trouvé un moyen de contourner la problématique de la recharge plus lente en hiver, en ajoutant une programmation qui permet de pré-conditionner la batterie avant d’arriver à un superchargeur Tesla.  Ainsi lorsque la destination programmée sur l’ordinateur de bord prévoit un ou des arrêts au superchargeur, le véhicule réchauffe automatiquement la batterie durant la route avant d’arriver au superchargeur, en fonction du surplus d’énergie restante dans la batterie.  La recharge au superchargeur Tesla est alors plus rapide.

Ci-contre, une portion de l’écran de navigation d’une Tesla, indiquant entre autres : les arrêts à faire aux superchargeurs, l’état de la batterie à l’arrivée et le temps de recharge requis.

Les caprices de la batterie Li-ion

Puisque la batterie Li-ion est affectée par la température, sa plage de fonctionnement optimale se situe entre 15 et 35°C.  A souligner ici qu’il s’agit de la température de la batterie et non la température ambiante (à l’extérieur), telle que présentée dans mon article précédent (c’est-à-dire qu’il peut faire 22°C à l’extérieur, mais la température de la batterie pourrait se situer à 35°C selon l’utilisation effectuée).

Au graphique ci-haut, une baisse de température de la batterie en deçà de 15°C vient réduire l’efficacité de la batterie et par conséquent l’autonomie du VÉ (zone bleue).  Plus la batterie est froide, moins elle pourra fournir d’énergie.  A l’inverse, une température supérieure à 35°C entraîne une dégradation de la batterie (zone rouge) et son efficacité en sera compromise également.

Solution pour le froid

Pour contrer cette problématique, un système de gestion thermique (un chauffe-batterie) permet de maintenir la batterie plus chaude et d’améliorer ses performances.  Toutefois, puisque l’énergie nécessaire à ce système provient de la même batterie, il y aura nécessairement une réduction de sa capacité.

En général le chauffe-batterie des VÉ se met en marche pour protéger la batterie lorsque sa température descend sous la barre des -15° C.  Dans le cas de la Nissan Leaf, un message comme suit est acheminé par courriel ou texto au propriétaire du véhicule lorsque le chauffe-batterie est activé (si celui-ci est abonné au service en ligne).

Bien qu’il me soit arrivé de laisser mon véhicule débranché durant plusieurs jours par très grands froids (températures inférieures à -24°C) la batterie ne s’est jamais déchargée au point de subir un arrêt complet ou de restreindre mes déplacements.

Il faut savoir que le temps nécessaire pour faire démarrer le chauffe-batterie peut-être beaucoup plus long que l’on pense, en raison que la batterie refroidit très lentement.  Entre autre, après avoir terminé une recharge complète de ma Leaf 24 kWh à la maison, suite à une exposition de 11 heures à une température inférieure à -22°C, le chauffe-batterie ne s’est jamais déclenché.

Toutefois, par mesure de prévention, il est toujours recommandé de laisser un VÉ branché en hiver lorsqu’il ne sera pas utilisé durant une longue période (plusieurs semaines), et ce plus particulièrement avec les Tesla qui ont tendance à perdre d’avantage d’énergie lorsque non utilisées et non branchées.

Solution pour la chaleur

Pour éviter une dégradation prématurée de la batterie, un système de gestion thermique (radiateur) permet d’évacuer la chaleur de la batterie.  Les VÉ qui ne disposent pas de système de refroidissement pour la batterie misent sur une programmation informatique, qui en cas de surchauffe forcera l’arrêt du véhicule ou le ralentissement de la recharge.

Chaque VÉ dispose de ses propres particularités en ce qui a trait à sa gestion thermique.

Sur la photo à gauche, après plusieurs recharges rapides lors d’une température extérieure élevée, j’ai obtenu cette lecture sur l’indicateur de température de la batterie de la Leaf 2015.

Avec la Nissan Leaf 2015 de 24kWh, refroidie uniquement à l’air, le véhicule est demeuré fonctionnel malgré l’atteinte de la zone rouge et j’ai pu terminer ma recharge rapide.  Pour l’essai avec la Leaf 2016 de 30 kWh, refroidie à l’air, avant même d’atteindre ce niveau, la recharge rapide s’est arrêtée automatiquement pour permettre à la batterie de se protéger et de refroidir.  Alors que les Nissan Leaf pourraient nécessiter un arrêt complet lorsque la température de la batterie excède cette zone, un VÉ refroidi au liquide, ne présenterait pas cette problématique, à moins de circonstances vraiment exceptionnelles.

Analyse statistique – distance parcourue vs l’efficacité énergétique

Auto-conditionnement de la batterie

Par temps froid, malgré la présence d’un chauffe-batterie, la température de la batterie d’un VÉ est loin d’être à son état optimal lors des premiers kilomètres parcourus.  Au fur et à mesure que la batterie est sollicitée, elle se réchauffe et son efficacité énergétique augmente.

Prémisses de base

Sachant que plusieurs variables pouvaient influencer les résultats de ce test, afin d’obtenir un résultat le plus réaliste possible, ma principale préoccupation fut de trouver un parcours le plus plat possible pour minimiser les variations de consommation d’énergie, plus élevées en montée et moindres en descentes et de pouvoir effectuer un parcours à vitesse constante.

Voici les autres critères que j’ai respecté pour ce test :

• utiliser le même véhicule, une Nissan Leaf SV 2015 de 24 kWh;
• toujours emprunter le même trajet de 30 km plus d’une vingtaine de fois;
• choisir une période où le trafic est le moins important afin d’éviter tout ralentissement involontaire;
• avoir terminé la recharge de la batterie au minimum 4 heures avant le départ afin de s’assurer que la batterie soit à la température ambiante;
• ne pas utiliser le véhicule 4 heures avant le départ pour la raison précédente;
• éviter toute condition météo défavorable telle que les périodes de neige et de vents forts; et
• maintenir le chauffage toujours à 22°C.

Les obstacles

Éviter les dénivellations, voilà un défi difficile à réaliser dans la ville de Québec.  Bien que l’utilisation d’un circuit fermé aurait été préférable, les résultats obtenus donnent quand même une bonne idée. Les éléments suivants ont possiblement influencé légèrement les résultats :

• les dénivelés inévitables de la route;
• les vents imprévus et leurs directions;
• les arrêts aux intersections; et
• le trafic qui m’a ralenti en chemin.

Les résultats

Pour réaliser cette étude, j’ai concentré mes essais durant la période hivernale alors que la température oscillait près des températures suivantes : 0°C, -15°C et -25°C.

Premier constat, la distance nécessaire pour atteindre l’efficacité énergétique presque optimale fut de 15 km.  Entre 15 et 30 km, l’écart fut négligeable.

Au tableau ci-contre, on retrouve l’efficacité énergétique moyenne en km/kWh (kilomètre par kilowattheure).  Chaque barre représente une lecture :  en bleu après seulement 0.5 km, en rouge à 5 km, en vert à 10 km et en violet à 15 km.  J’ai attribué la valeur de 100% à cette dernière consommation.

Sur ce graphique, on peut observer que la consommation énergétique devient plus performante après les 5 premiers km et s’améliore plus graduellement au cours des 10 km suivants.  Sans surprise, plus il fait froid, moins l’efficacité énergétique est bonne.  Par contre, l’efficacité initiale semble peu affectée, passant de 2.6 km/kWh à -1°C, à 2.4 km/kWh à -24°C.

Toujours en observant le graphique ci-haut, on peut constater que l’efficacité énergétique initiale à une température de -1°C, après avoir parcouru 0,5 km fut de 45% par rapport à mon point de référence (100% avec 5.8 km/kWh).  À -24°C la valeur initiale étant 0.2 km/kWh moindre que celle à -1°C obtient un pourcentage de 60% en raison que son plafond (100%) est moins élevé, soit 4.0 km/kWh au lieu de 5.8 km/kWh à -1°C.

Par conséquent, peut importe la température, on peut constater qu’au fur et à mesure que la batterie est sollicitée, elle se réchauffe.  L’efficacité énergétique du véhicule augmente et il est possible de parcourir une plus grande distance avec chaque kWh d’électricité restant dans la batterie.

Sur le graphique ci-contre, j’ai comparé l’efficacité énergétique entre un parcours effectué sans préconditionnement (barres bleues) et un autre avec préconditionnement (barres rouges).  Pour ce dernier, j’ai activé à distance le chauffage de l’habitacle à 22.5°C et la recharge 40 minutes avant le départ, le tout en étant branché à une borne niveau 2.

La différence est remarquable, l’efficacité énergétique optimale fut de 4.7 km/kWh lorsque le véhicule fut préconditionné (j’ai attribué à cette valeur 100%), alors qu’elle fut au mieux à 85% lorsque non préconditionné.

Dès le départ, j’étais à 85% lorsque préconditionné alors que j’étais à 51% sans le préconditionnement.  Par conséquent, à -20°C et selon ces circonstances, lorsque le véhicule est préconditionné, son efficacité énergétique initiale est comparable à la valeur optimale sans préconditionnement.

Voilà l’intérêt de recharger le véhicule avant le départ, ce qui permet de dégivrer le véhicule, réchauffer la batterie et l’habitacle, réduire les pertes initiales et par conséquent, d’augmenter son autonomie.

Démarrer un VÉ en hiver vs un véhicule à essence

Contrairement à ce que plusieurs pourraient penser, démarrer un VÉ en hiver est extrêmement facile comparativement à un véhicule a essence.  Un VÉ démarre instantanément en hiver puisqu’il n’y a pratiquement aucune résistance au moteur.

Il faut savoir qu’un moteur électrique est bien au sec tandis qu’un moteur à essence doit baigner dans une huile qui épaissie comme de la mélasse lorsque la température diminue.

Par conséquent, la batterie 12 volts d’un véhicule à essence est beaucoup plus sollicitée au démarrage que pour un VÉ.

Voici de façon très simplifiée (puisqu’il y a plus de sous-systèmes) la différence entre le démarrage et déplacement des 2 types de véhicules :

Processus de démarrage et déplacement d’un VÉ

1. En appuyant sur le bouton démarrer d’un VÉ, la batterie 12 volts envoie un très faible courant aux instruments et contrôleur du véhicule;
2. En engageant le sélecteur de vitesse (D ou R) le système indique dans quel sens le moteur électrique devra tourner;
3. En appuyant sur l’accélérateur, la batterie de 400 volts envoie le courant au moteur électrique, qui est bien au sec et la voiture se met en route immédiatement; et
4. Au freinage, l’électricité fait le chemin inverse pour recharger la batterie 400 volts.

Processus de démarrage et déplacement d’un véhicule à essence

1. En appuyant sur le bouton démarrer d’un véhicule à essence :
   1. la batterie 12 volts envoie un très faible courant aux instruments;
   2. la batterie 12 volts envoie un courant plus important au démarreur (petit moteur électrique) qui, pour sa part, doit faire tourner l’engrenage du moteur qui baigne dans une huile figée, qui occasionne beaucoup de résistance;
   3. L’engrenage doit faire déplacer des cylindres qui baignent dans l’huile figée également, encore de la résistance;
   4. La batterie 12 volts doit acheminer un courant électrique aux bougies des cylindres, pour fournir l’étincelle qui provoquera les explosions dans les cylindres;
   5. Au même moment, la batterie 12 volts doit alimenter la pompe à essence, qui doit acheminer l’essence dans les cylindres;
2. En engageant le sélecteur de vitesse (D, 2, 1 ou R), la transmission doit activer son engrenage, qui baigne également dans une huile épaissie par le froid;
3. En appuyant sur l’accélérateur, les systèmes de la voiture envoient plus d’essence et plus d’électricité, pour augmenter la cadence des explosions dans les cylindres et mettre plus de pression pour activer la transmission.  La voiture se met en route accompagnée de différents bruits, le temps que toutes les composantes mécaniques ainsi que l’huile puissent être réchauffées; et
4. Le moteur émet des gaz toxiques pour tout être vivant et pour l’environnement.

Par conséquent, la batterie 12 volts d’un véhicule à essence est beaucoup plus sollicitée et le démarrage est beaucoup plus laborieux, en raison de la résistance occasionnée par les différentes composantes, figées dans une huile épaissie par le froid.

Enfin, en observant les 2 diagrammes ci-hauts, il apparaît évident que la voiture à essence nécessitera plus d’entretien également.

Dans mon prochain article, mes conseils pour mieux affronter l’hiver en VÉ.

Jean Forget

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Sources :

VÉ EN HIVER

Vidéo : The Polar Vortex and Electric Cars (en anglais)

BATTERIES

https://www.comsol.com/blogs/why-car-batteries-perform-poorly-in-cold-weather/

https://www.douglaskrantz.com/ElecElectricalFlow.html

https://www.energy.gov/eere/articles/how-does-lithium-ion-battery-work

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1002007118307536

https://spectrum.ieee.org/energywise/robotics/drones/lithiumion-battery-warms-up-operates-in-subzero-temperatures

ÉNERGIE

https://www.greencarreports.com/news/1118534_fact-of-the-week-internal-combustion-cars-still-waste-70-to-88-percent-of-energy

https://www.fueleconomy.gov/feg/atv-ev.shtml

https://www.fueleconomy.gov/feg/atv.shtml

https://www.energy.gov/eere/vehicles/articles/fotw-1044-august-27-2018-12-30-energy-put-conventional-car-used-move-car-down

https://www.aqua-calc.com/convert/electric-car-energy-economy/kilometer-per-kilowatt-hour-to-kilowatt-hour-per-100-kilometers