Comment fonctionne une batterie automobile à démarrage-arrêt ?

Comment Présente-t-il un système de démarrage-arrêt automobile BATTERIE ?

Un système de démarrage-arrêt ajoute une couche supplémentaire, bien que modeste, mais exigeante, par rapport au cycle d’utilisation traditionnel de la batterie de démarrage. La batterie auxiliaire de 12 volts (ou 24 volts) située sous le capot doit éteindre le moteur à chaque feu rouge, le redémarrer dès que la pédale de frein est relâchée, alimenter les équipements électroniques de l’habitacle pendant chaque période d’arrêt moteur, et absorber, le reste du temps, des pics de courant élevés et irréguliers provenant de l’alternateur et du système de freinage régénératif. Aucune de ces fonctions n’existait dans l’ancien cycle d’utilisation — un seul démarrage par trajet.

Pour comprendre le fonctionnement d’une batterie de démarrage-arrêt, il est plus utile d’étudier le système qui l’entoure que la chimie de sa composition interne. Certes, la chimie compte : une batterie au plomb-acide classique ne résiste pas à ce cycle d’utilisation ; les batteries EFB ou AGM constituent actuellement la solution privilégiée ; quant aux batteries sodium-ion, elles sont désormais évaluées comme troisième option. Toutefois, la chimie n’a d’importance que dans la mesure où elle répond aux exigences imposées à la batterie par le système.

Cet article décrit le cycle d’exploitation réel : ce qui se produit du moment où un véhicule s’arrête à un feu jusqu’au moment où il accélère pour repartir, où la batterie se décharge, où elle se recharge, ce que fait le système de gestion de la batterie (BMS) et ce que chaque phase du cycle exige des cellules.

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Quelle Se produit Pendant un démarrage– Arrêt ?

Un cycle complet de démarrage–arrêt est bref — généralement inférieur à —, mais il sollicite presque toutes les caractéristiques de la batterie simultanément.

• Le véhicule approche d’un arrêt. Il ralentit. L’alternateur est souvent basculé en mode régénératif, injectant du courant de charge dans la batterie. La tension aux bornes de la batterie augmente généralement durant cette phase.

• Arrêt du moteur au ralenti. Lorsque le véhicule s’immobilise complètement et que la pédale de frein est maintenue (ou, dans certains systèmes, lorsqu’il roule sans accélération), l’unité de gestion du moteur ordonne l’arrêt du moteur. Le démarreur et la couronne dentée sont alors prêts pour le prochain démarrage. Le courant de la batterie passe de l’alternateur vers le système électrique du véhicule.

• Fenêtre d’arrêt moteur. Les feux avant, le ventilateur de la climatisation, le système multimédia, le tableau de bord, les capteurs de stationnement, les modules de commande de carrosserie, ainsi qu’une longue liste de petits calculateurs électroniques continuent de consommer du courant. Il s’agit de la charge au repos ou charge des accessoires, qui peut facilement atteindre plusieurs ampères sur un véhicule moderne.

• Le conducteur relâche la pédale de frein (ou appuie sur l’accélérateur). Le démarreur s’engage et lance le moteur. La consommation de courant augmente brusquement jusqu’à plusieurs centaines d’ampères pendant une fraction de seconde à quelques secondes. La tension de la batterie chute pendant cette pointe.

• Redémarrage du moteur. La combustion reprend, l’alternateur revient en ligne et le courant de charge circule à nouveau vers la batterie. La tension se rétablit, puis le cycle se répète au prochain arrêt.

Ces cinq événements se répètent des dizaines ou des centaines de fois par trajet urbain. Leur chronologie, leur intensité de courant, leur température et leur état de charge varient également au cours de la journée et selon les saisons. Cette variabilité constitue la partie la plus exigeante du cycle d’utilisation.

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Pourquoi le BATTERIE Occupe une place centrale dans le système start-stop

Dans un véhicule dépourvu de système start-stop, la batterie joue principalement un rôle de secours. L’alternateur alimente le système électrique lorsque le moteur est en marche, tandis que la batterie sert uniquement à démarrer le moteur et à couvrir de brèves demandes électriques lorsque le moteur est à l’arrêt. Son état de charge reste généralement proche de la pleine capacité, et la batterie n’est que rarement sollicitée pour autre chose qu’une courte décharge à fort courant, quelques centaines de fois au cours de sa durée de vie.

La fonction stop-start inverse cette priorité. La batterie est désormais appelée à jouer un rôle actif au sein du système, et non plus à servir de simple secours. Elle alimente l’habitacle pendant l’arrêt du moteur, accepte des charges irrégulières provenant du freinage régénératif et redémarre le moteur des dizaines ou centaines de fois par trajet. L’ensemble de l’architecture électrique du véhicule a été conçu en tenant compte des capacités de la batterie, et non l’inverse. C’est pourquoi le choix de la batterie pour une application stop-start est plus exigeant que celui requis pour une application sans stop-start.

Dans le cas précis d’un programme utilisant des batteries sodium-ion, la question n’est pas de savoir si cette chimie permet de démarrer un moteur (ce qu’elle permet effectivement), mais plutôt si elle peut supporter, sur plusieurs milliers de cycles, l’acceptation irrégulière de charge, le fonctionnement à état de charge partiel et les sollicitations thermiques propres au compartiment moteur.

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Trois fonctions d’un système stop-start BATTERIE Doit FAIRE dans un Sin gLE Cycle

Une batterie start-stop doit assurer trois fonctions qui se chevauchent tout au long d’un trajet. Chaque fonction sollicite la batterie différemment, et une chimie performante pour l’une peut être moins adaptée aux deux autres.

• Fournir une forte intensité de démarrage. Lorsque le moteur redémarre, le démarreur absorbe plusieurs centaines d’ampères pendant une fraction de seconde à quelques secondes. La tension de la batterie doit rester supérieure au seuil requis par le démarreur pendant toute cette phase, même à des températures inférieures à zéro degré Celsius. La résistance interne et le comportement en décharge par temps froid déterminent si la batterie est capable de fournir cette puissance au moment critique.

•Alimenter le système électrique pendant que le moteur est à l’arrêt. La charge accessoire moderne des véhicules —ventilateur de climatisation, système multimédia, phares, capteurs, commande du châssis —peut atteindre plusieurs ampères en continu. Une batterie start-stop doit couvrir cette charge pendant chaque période d’arrêt moteur, souvent sans assistance de l’alternateur. Les longues périodes d’arrêt moteur dans les embouteillages constituent le scénario le plus contraignant pour cette fonction.

• Accepter charge provenant de l’alternateur et du freinage régénératif. L’acceptation de la charge est la phase la plus sensible à la chimie du cycle d’utilisation. L’alternateur injecte des impulsions de forte intensité dans la batterie à chaque redémarrage du moteur et pendant les phases de décélération ; le freinage régénératif ajoute, dans de nombreux systèmes modernes à arrêt-démarrage, des impulsions irrégulières de forte intensité. La batterie doit absorber ces impulsions sans dégagement de gaz, sans surchauffe et sans dommage à long terme pour les cellules.

Ces trois fonctions se chevauchent au cours d’un seul trajet. On demande à la batterie de démarrer le moteur, de rester à un état de charge partiel, d’accepter une charge, de redémarrer le moteur, puis d’accepter encore une charge — souvent des dizaines de fois avant l’arrêt du véhicule. Une chimie performante pour une seule fonction, mais qui se dégrade rapidement sous les autres sollicitations, n’est pas adaptée à ce cycle d’utilisation.

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Démarrage, stabilité de tension et Marges en conditions hivernales

Les performances de démarrage sont évaluées en ampères de démarrage à froid (CCA) et en ampères de démarrage (CA). Ces deux valeurs indiquent le courant que la batterie peut délivrer à une température et pendant une durée définies, tout en maintenant une tension supérieure à un seuil prédéfini. Le CCA, mesuré à −18 °C (ou 0 °F), constitue la valeur standard relative aux conditions froides indiquée sur la plupart des étiquettes des batteries automobiles.

Pour un véhicule doté d’un système start-stop, le CCA pertinent ne se limite pas au CCA requis au démarrage initial. Il s’agit du CCA que la batterie est encore capable de délivrer après des milliers de cycles partiels et après plusieurs mois d’exposition aux températures du compartiment moteur. La résistance interne augmente avec l’âge de la batterie et la baisse de son état de charge ; ainsi, la marge de démarrage à froid dont dispose la batterie le premier jour n’est pas celle dont elle disposera au troisième année d’utilisation. Des essais publiés ont démontré que la chimie sodium-ion présente un comportement utile lors de la décharge à basse température, ce qui explique en partie l’intérêt croissant suscité par cette technologie dans les programmes automobiles destinés aux régions froides.

La stabilité de la tension pendant l’impulsion de démarrage est aussi importante que le courant de crête. Le démarreur nécessite que la tension reste supérieure à son seuil de fonctionnement tout au long de l’impulsion ; une chimie dont la tension chute sous charge oblige le démarreur à fournir un effort accru, ralentit la rotation du vilebrequin et augmente le risque d’un échec de démarrage. Le profil de tension plat de la plupart des cellules sodium-ion et lithium-ion lors d’une impulsion à fort courant constitue un avantage technique réel par rapport à la chimie plomb-acide, dont la tension diminue nettement sous charge de démarrage.

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Acceptation de la charge et alternateur comportement de l’alternateur

L’acceptation de la charge est la phase du cycle d’utilisation pendant laquelle les batteries automobiles présentent le plus souvent des défaillances. L’alternateur et le système de freinage régénératif injectent du courant dans la batterie sous forme d’impulsions irrégulières, et celle-ci doit absorber ces impulsions sans subir de dommages. Une batterie au plomb-acide ouverte se dégrade rapidement sous ce régime : des impulsions de forte intensité à un état de charge partiel accélèrent la corrosion de la grille, la sulfatation des plaques et la perte d’eau. Les batteries EFB et AGM ont été spécifiquement conçues pour supporter ce régime, ce qui explique pourquoi les constructeurs automobiles les ont initialement adoptées pour les systèmes start-stop.

La chimie sodium-ion gère différemment les impulsions de charge à fort courant. Les cellules sodium-ion peuvent généralement accepter un taux de charge élevé sans subir les mêmes problèmes de corrosion de la grille ou de sulfatation des plaques que connaissent les batteries au plomb-acide. Cela confère à la chimie sodium-ion une adéquation structurelle avec les impulsions de freinage régénératif et de charge par alternateur caractéristiques de la conduite stop-start. Que cet avantage se manifeste effectivement en conditions réelles dépend de la chimie spécifique de la cellule, de la famille de cathode, du format de la cellule, de la stratégie de contrôle du système de gestion de batterie (BMS) et de l’intégration dans le véhicule — cela n’est pas automatique, et un acheteur devrait rechercher des données de validation correspondant exactement au profil d’impulsions de charge produit par le véhicule réel.

L’acceptation dynamique de charge — c’est-à-dire le courant maximal qu’une batterie peut accepter à un état de charge partiel, à basse température et à la fin d’une longue période d’arrêt moteur — constitue une version plus exigeante de cette même question. Les batteries EFB ont été conçues pour améliorer l’acceptation dynamique de charge par rapport aux batteries plomb-acide classiques ; les batteries AGM l’améliorent encore davantage. La chimie sodium-ion a démontré, dans des essais publiés, une acceptation dynamique de charge utile, mais les valeurs réelles varient fortement selon la conception des cellules, et le cycle d’utilisation effectif des cellules en service importe davantage que toute valeur mesurée en laboratoire.

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État de charge partiel, SOC, un d SOH Surveillance

Les batteries start-stop ne fonctionnent que rarement à 100 % de leur état de charge. L’alternateur et le freinage régénératif rechargent la batterie au cours d’un trajet, mais les périodes d’arrêt moteur, la charge des accessoires et les démarrages répétés maintiennent la batterie autour de 70 à 80 % de son état de charge pendant la majeure partie de sa durée de vie. C’est précisément la zone de fonctionnement la plus défavorable pour une batterie au plomb-floode : la sulfatation s’accélère à un état de charge partiel, la capacité diminue plus rapidement et les marges de démarrage par temps froid se réduisent.

Les systèmes start-stop modernes surveillent la batterie via un système de gestion de batterie (BMS), désigné parfois dans la documentation des équipementiers sous le nom de module capteur de batterie ou de capteur intelligent de batterie. Le BMS suit l’état de charge (SOC), l’état de santé (SOH), la température et le flux de courant. Il utilise ces données pour déterminer si le moteur doit s’arrêter au prochain arrêt, si l’alternateur doit charger à une tension plus élevée ou plus basse, et quand avertir le conducteur que la batterie doit être remplacée.

Pour un programme sodium-ion start-stop, le système de gestion de batterie (BMS) n’est pas facultatif. Les cellules sodium-ion nécessitent une équilibration cellulaire, des limites de tension et de courant aux hautes et basses températures, ainsi qu’une protection contre la décharge excessive pendant les périodes prolongées d’arrêt moteur. Le BMS doit également communiquer avec le système électrique du véhicule afin que l’alternateur et le contrôleur de freinage régénératif puissent adapter les impulsions de charge en fonction de l’état réel de la batterie, et non selon un profil générique de batterie au plomb-acide inondée. Les acheteurs évaluant le sodium-ion pour des applications start-stop doivent prêter une attention particulière à l’intégration du BMS dans le véhicule, et non uniquement à la chimie des cellules.

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Température, compartiment moteur et contraintes thermiques

La plupart des batteries auxiliaires automobiles sont installées dans le compartiment moteur ou juste à côté. Elles sont exposées à une large plage de températures : nuits hivernales froides à moins plusieurs dizaines de degrés Celsius, températures estivales dans le compartiment moteur pouvant dépasser 60 °C, et des conditions intermédiaires qui évoluent rapidement entre les deux extrêmes. Une batterie start-stop doit fonctionner sur toute cette plage, et les exigences à chaque extrême sont différentes.

À basse température, la batterie doit démarrer le moteur alors que sa résistance interne est maximale. C’est précisément là que le comportement publié en décharge à basse température de la chimie sodium-ion devient un avantage structurel. À haute température, la batterie doit accepter des impulsions de charge, rester à un état de charge partiel et survivre à de longues périodes d’arrêt moteur sans subir un vieillissement calendaire accéléré. Le vieillissement calendaire correspond à une perte lente de capacité qui se produit même lorsque la batterie n’est pas utilisée, et s’accélère à des températures plus élevées pour la plupart des chimies.

Un acheteur devrait rechercher des données sur les cellules sodium-ion couvrant les deux extrémités de cette plage : la validation du démarrage par temps froid aux températures réelles de déploiement des véhicules, ainsi que des données sur le vieillissement calendaire à haute température permettant de soutenir la garantie pluriannuelle que le programme souhaite offrir. Des valeurs obtenues en laboratoire à 25 °C ne remplacent pas l’une ou l’autre de ces exigences.

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Ce que cela exige de la chimie de la batterie

En reconstituant le cycle d’utilisation dans son ensemble, une chimie de batterie start-stop doit assurer, en conditions réelles d’exploitation et non seulement sur banc d’essai, cinq fonctions essentielles.

• Démarrage fiable par temps froid après des milliers de cycles partiels et durant plusieurs années d’exposition dans le compartiment moteur.

• Haute capacité d’acceptation de charge sous le régime irrégulier des impulsions produites par l’alternateur et le freinage régénératif, à un état de charge partiel et sur une large plage de températures.

• Alimentation stable des accessoires pendant de longues périodes sans fonctionnement du moteur, sans toutefois entraîner une décharge profonde dommageable pour la batterie.

• Longue durée de vie calendaire à en températures de la baie Gine, et pas seulement à température ambiante.

• Coordination du BMS afin que le système électrique du véhicule puisse façonner les impulsions de l’alternateur et du freinage régénératif en fonction de l’état réel de la batterie.

Ces cinq exigences expliquent pourquoi les batteries au plomb-acide inondées ne constituent plus la bonne solution pour la plupart des programmes start-stop, pourquoi les technologies EFB et AGM sont devenues les solutions dominantes, et pourquoi la technologie sodium-ion est désormais sérieusement évaluée. Le fait que la technologie sodium-ion soit ou non la bonne solution pour un programme spécifique dépend de la manière dont cette chimie est intégrée dans le véhicule, de la façon dont le BMS est paramétré, et de la validation du cycle d’utilisation — et non uniquement de l’appellation chimique.

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Pourquoi la chimie sodium-ion s’adapte bien au service start-stop

La chimie sodium-ion présente une adéquation structurelle significative avec le cycle d’utilisation start-stop pour trois raisons qui correspondent directement aux cinq exigences énoncées ci-dessus.

• Comportement de décharge à basse température. Des essais publiés menés sur plusieurs familles de cathodes à ions sodium montrent que la chimie à ions sodium conserve une capacité utile et présente une résistance interne plus faible à des températures inférieures à zéro, précisément là où la capacité de démarrage par temps froid est la plus critique. Cela répond à l’exigence de démarrage par temps froid.

• Tolérance aux impulsions de charge. Les cellules à ions sodium supportent des taux de charge élevés sans subir le même type de corrosion de la grille ou de sulfatation qui affecte les batteries au plomb-acide. Avec un système de gestion de batterie (BMS) correctement paramétré, cela répond à l’exigence d’acceptation élevée de charge.

• Maturité adaptée aux batteries auxiliaires. Le le cycle de fonctionnement « démarrage-arrêt » ne nécessite pas la densité énergétique d’un pack de traction. La chimie à ions sodium n’a pas besoin d’égaler la densité énergétique des chimies NMC ou LFP pour fournir des performances utiles en tant que batterie auxiliaire 12 V ou 24 V, et la courbe de maturité des ions sodium correspond bien à ce cycle de fonctionnement. Cela répond aux exigences de durée de vie en calendrier et de coordination avec le BMS, toutes deux pouvant être prises en compte au niveau de la chimie et de la chaîne d’approvisionnement d’un programme de cellules à ions sodium.

Un acheteur qui entre dans un programme sodium-ion pour véhicules à démarrage-arrêt en connaissant ces trois avantages structurels —et conscient de la diligence fournie par le fournisseur, exigée par cette chimie encore à un stade précoce —se trouve dans une position bien plus forte qu’un acheteur qui s’attend à ce que la technologie sodium-ion se comporte exactement comme une alimentation AGM mature. En tant que fournisseur de batteries et de systèmes de stockage d’énergie destinés aux importateurs, distributeurs, grossistes, concessionnaires et acheteurs OEM et ODM automobiles, PITTAR collabore avec des programmes de cellules sodium-ion

conçus dès l’origine pour s’intégrer aux cycles de démarrage-arrêt. Lorsque cette chimie correspond au programme — fiabilité en climat froid, diversification de la chaîne d’approvisionnement, engagements volumiques sur plusieurs années et intégration, via le système de gestion de la batterie (BMS), au réseau électrique du véhicule — la discussion vaut la peine d’être engagée. Lorsque cette chimie ne correspond pas encore au besoin, la décision la plus judicieuse consiste à conserver la solution actuelle jusqu’à ce que la compatibilité évolue.

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Questions fréquemment posées

Comment fonctionne une batterie à démarrage-arrêt ?

Une batterie start-stop est intégrée dans le système électrique d’un véhicule qui coupe automatiquement le moteur au ralenti et le redémarre dès que le conducteur est prêt à repartir. À chaque cycle, la batterie délivre une forte intensité de courant pour redémarrer le moteur, alimente l’électronique de l’habitacle et les modules de commande pendant la phase d’arrêt du moteur, puis accepte la charge provenant de l’alternateur et du système de freinage régénératif dès que le moteur est à nouveau en marche. Le système de gestion de la batterie (BMS) coordonne l’état de charge, la température et les limites de courant afin que la batterie puisse répéter ce cycle des milliers de fois tout au long de sa durée de vie.

Qu’est-ce qui distingue une batterie start- stop d’une a normal voiture batterie ?

Une batterie de voiture classique est conçue pour un cycle d’utilisation simple : un démarrage par trajet, une recharge lente en fin de charge et une charge accessoire brève. Une batterie start-stop est conçue pour des milliers de démarrages par trajet, des impulsions de charge à fort courant irrégulières provenant du freinage régénératif, de longues périodes d’arrêt moteur à état de charge partiel et une exposition aux températures du compartiment moteur sur plusieurs années. Les technologies EFB, AGM et sodium-ion sont conçues pour ce cycle plus exigeant ; les batteries plomb-acide inondées ne le sont pas.

Combien de fois une batterie start-stop démarr e le moteur sur son temps ?

Le nombre varie considérablement selon les cycles de conduite, le climat, l’intégration du véhicule et la chimie de la batterie. Les estimations publiées par les équipementiers (OEM) et par des tiers pour les programmes start-stop vont généralement de plusieurs dizaines de milliers à plusieurs centaines de milliers de démarrages au cours de la durée de vie utile, mais le chiffre exact dépend de la conception spécifique de la cellule, du réglage du système de gestion de batterie (BMS) et du cycle d’utilisation réel en service. Les acheteurs doivent rechercher des données de validation correspondant au type précis de cycle d’utilisation que connaîtront les véhicules, et non à un chiffre générique obtenu en laboratoire.

Une batterie start-stop nécessite-t-elle un chargeur spécial ?

Parfois. Les batteries sodium-ion, AGM et EFB présentent des profils de tension de charge différents de ceux des batteries au plomb-acide inondées, et l’utilisation d’un profil de chargeur inapproprié peut réduire la durée de vie utile ou empêcher la recharge d’une batterie fortement déchargée. Pour un programme sodium-ion start-stop, le système électrique du véhicule doit être ajusté à la plage de tension de charge de la cellule, et le système de gestion de la batterie (BMS) doit coordonner ses actions avec le contrôleur d’alternateur ; un chargeur externe de banc utilisé dans un entrepôt ou un environnement de service doit respecter le même profil.

Pourquoi le sodium-ion est-il évalué pour un service start-stop ?

La chimie sodium-ion a démontré un comportement utile de décharge à basse température, tolère des impulsions de charge à fort courant irrégulières et ne nécessite pas la densité énergétique d’un pack de traction pour assurer les performances d’une batterie auxiliaire de 12 ou 24 volts. Ces avantages structurels correspondent aux exigences de démarrage par froid, d’acceptation de charge et de maturité adaptée aux batteries auxiliaires propres au cycle de fonctionnement stop-start, ce qui explique pourquoi la technologie sodium-ion est sérieusement évaluée, aux côtés des technologies EFB et AGM, dans les programmes automobiles.