La recherche du Oak Ridge National Laboratory étudie les besoins en batteries des avions électriques et étend la recharge sans fil des véhicules électriques.
Le Oak Ridge National Laboratory (ORNL) est souvent à la pointe de la science et de l’ingénierie de pointe dans la technologie des véhicules électriques. Deux récents projets de recherche ont porté sur les aéronefs à décollage et atterrissage verticaux électriques (eVTOL) et les capacités de recharge sans fil des véhicules électriques (VE).
La recherche d’ORNL sur les eVTOL vise à trouver la technologie de batterie optimale pour les avions afin de répondre aux demandes de puissance variables. Sa technologie de recharge sans fil promet de charger un véhicule à 50% en moins de 20 minutes.
VoloCity eVTOL. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Wikimedia Commons
Des batteries uniques sont nécessaires pour les eVTOL
Le compromis entre la décharge rapide et la longévité de la charge des batteries est toujours débattu. Alors qu’un taux de décharge standard et uniforme convient à de nombreuses applications, pour les applications eVTOL, les besoins en puissance lors du décollage, de l’ascension, de la croisière et de la descente sont différents. Cela signifie que les batteries doivent être conçues pour répondre à ces besoins.
Les batteries lithium-ion (Li-ion) standard utilisées dans la plupart des VE ne peuvent pas être adaptées aux avions eVTOL, car elles n’ont pas la libération de décharge élevée requise pour le décollage, du moins pas en toute sécurité. Le programme eVTOL d’ORNL cherche à créer une batterie VE capable de répondre aux conditions de libération de charge dynamique de ces avions.
Stades de fonctionnement des eVTOL. Image utilisée avec l’aimable autorisation de ORNL/by Andy Sproles
Les batteries Li-ion fonctionnent le mieux lorsqu’elles sont maintenues à un certain niveau de performance dans le temps. Cependant, exiger de hautes performances et une décharge rapide a un impact significatif sur leur durée de vie et leur durabilité. ORNL a utilisé des matériaux à haute densité d’énergie pour pousser les batteries Li-ion à l’extrême afin de voir quelle quantité de puissance pouvait être extraite à la demande pour alimenter les eVTOL à différentes étapes de vol.
Les tests de l’ORNL ont associé des profils de vol réels à un fonctionnement de batterie en temps réel, ce qui n’est pas courant dans les tests de batterie. Cette approche a révélé des informations sur la pertinence (ou l’inadéquation) de la technologie Li-ion actuelle pour les applications eVTOL.
La plupart des batteries lithium hautement puissantes ont actuellement des taux de décharge de 2 à 5 fois la capacité nominale de la batterie (2C à 5C), et les tests de VE ne vont généralement pas au-delà de 3C car cela simule des conditions de conduite normales. Cependant, les conditions de conduite des eVTOL sont loin d’être normales, il a donc été décidé de soumettre la batterie à une contrainte électrochimique importante, à 15 fois la capacité nominale de la batterie (15C) pendant 45 secondes. Cela permet de simuler les demandes moyennes en puissance des batteries eVTOL lors du décollage, qui sont beaucoup plus élevées que les directives du United States Advanced Battery Consortium. Les tests de puissance maximale pour les applications de VE sont de 5C pendant 30 secondes.
Les tests ont montré que les systèmes de batterie actuels ne sont pas à la hauteur de la tâche et ne peuvent pas supporter les fortes impulsions de décharge pendant une période prolongée. Cela a conduit à la défaillance rapide des batteries après la réapplication des taux de décharge élevés.
Les défis posés par les batteries actuelles ont conduit l’ORNL à développer un nouvel électrolyte. Bien qu’il en soit encore à ses débuts, l’électrolyte s’est comporté mieux, conservant davantage de capacité pendant les phases de vol les plus exigeantes en puissance. Les chercheurs veulent améliorer l’électrolyte et les autres composants de la batterie, il reste donc des perspectives pour le développement de batteries haute performance pouvant répondre aux exigences de puissance rigoureuses des eVTOL.
Transfert d’énergie sans fil vers les VE
Dans une autre recherche, l’ORNL a étudié la recharge sans fil pour les VE, cette fois pour les voitures. La capacité de recharge est toujours au cœur du débat sur les VE. De nombreuses technologies avancées d’aujourd’hui offrent des capacités de recharge sans fil, et les VE pourraient avoir accès à un niveau similaire de technologie dans un proche avenir.
La recharge sans fil peut potentiellement éliminer la recharge câblée à domicile et dans les endroits publics. Les conducteurs pourraient se garer à un emplacement désigné et recharger leur voiture, ce qui leur ferait gagner du temps et des efforts.
Les chercheurs de l’ORNL ont créé un chargeur sans fil utilisant des bobines de couplage électromagnétique polyphasé avec des champs magnétiques rotatifs. Ce chargeur permet de recharger sans fil des véhicules utilitaires légers à 100 kW avec une efficacité de 96%. Les chercheurs ont testé les capacités de recharge sur un Hyundai Kona EV. Le système de bobines ne mesure que 14 pouces de diamètre, il ne prend donc pas beaucoup de place mais offre néanmoins une densité de puissance considérable par rapport aux bobines plus petites.
La technologie de recharge sans fil de l’ORNL. Image utilisée avec l’aimable autorisation de ORNL/by Carlos Jones
En comparaison, le chargeur EV domestique moyen n’est que de 7 kW, et même les chargeurs rapides utilisés commercialement ne sont que de 50 kW.
Pour les véhicules de tourisme, le chargeur a désormais la densité d’énergie la plus élevée au monde et peut atteindre des densités de puissance 8 à 10 fois supérieures à celles de la technologie de bobine conventionnelle. La technologie permet également d’augmenter l’état de charge de la batterie de 50% en moins de 20 minutes. Il y a actuellement beaucoup de potentiel pour ces chargeurs sans fil, mais rien n’a encore été mentionné concernant le coût et l’aspect économique du développement. Il faudra donc attendre pour voir si la technologie est disponible à un coût abordable pour les utilisateurs de VE et les propriétaires de stations de recharge pour VE.