Des ingénieurs Porsche nous dévoilent les secrets des batteries qui durent plus de 300 000 km en se rechargeant très rapidement

« Qui veut voyager loin ménage sa monture« , dit le proverbe. Ce n’est pas la philosophie de Porsche qui, peut-être encore davantage que d’autres constructeurs, travaille à maximiser à la fois les performances, l’autonomie et la longévité de ses batteries et voitures électriques. La Taycan, première voiture électrique de Porsche, a ainsi ravi à la Tesla Model S le rôle de mètre étalon du marché dès son lancement en 2019.

Dans les domaines des voitures et des batteries, la conception est pourtant peut-être encore plus qu’ailleurs une affaire de compromis : monter un curseur se fait difficilement sans en baisser un autre. Autonomie, puissance de recharge, longévité, sécurité, masse… Porsche nous a invité à Weissach, dans son centre de recherche et développement de 12 hectares, où circulent déjà des prototypes des futurs Cayenne et 718 électriques, pour nous expliquer comment les 7 500 employés relèvent le défi.

Autonomie vs temps de voyage

On pourrait offrir une très grande autonomie à une voiture électrique en utilisant une batterie d’une très grande capacité. Mais ce serait aujourd’hui au prix d’une batterie très lourde, très grande, donc d’une recharge trop longue, et surtout au détriment des performances dynamiques. De puissants moteurs assurent certes de fortes accélérations, mais ils n’annulent pas la gravité et l’inertie !

Comme d’autres constructeurs, Porsche nous explique donc ne pas viser simplement une autonomie, mais avant tout un temps de voyage. L’autonomie n’est qu’un critère, parmi d’autres comptant la longévité, l’empreinte carbone (plus ou moins proportionnelle à la taille de la batterie et de la voiture), et bien sûr les performances dynamiques, cruciales chez Porsche.

Le constructeur dit avoir ainsi déterminé « la bonne capacité » pour sa Taycan. Si 95 % des trajets quotidiens font selon ses données moins de 200 km, il reconnait que 100 % des clients veulent réduire la durée des longs trajets. Il prévoit que l’autonomie WLTP attendue par les clients sur le segment des sportives atteindra un plateau autour de 800 km d’ici la fin de la décennie. En attendant, il étudie la part des clients qui passeraient à l’électrique en fonction de l’autonomie. Par exemple : 85 % si l’autonomie était de 550 km.

Pour un véhicule électrique dans le segment, Porsche a ainsi conclu qu’une capacité de 100 à 110 kWh offrirait le meilleur compromis entre capacité et masse, donc entre temps de trajets et dynamique de conduite. En l’occurrence, la batterie de 105 kWh confère à la Taycan une autonomie WLTP d’environ 600 km.

Batteries : sur le fil

Mais il y a encore une grande marge de progression dans la technologie des batteries de voitures, donc l’industrie la pousse constamment dans ses retranchements. Il s’agit de trouver un équilibre entre densité énergétique, puissance de recharge, puissance de décharge, longévité, sécurité…

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Quand on décharge ou qu’on recharge une batterie lithium ion, on fait transiter des électrons entre deux électrodes à l’extérieur de la batterie, pour alimenter les moteurs d’une voiture par exemple, ce qui fait transiter des ions entre les deux électrodes, à l’intérieur, à travers une électrolyte et un séparateur.

Cette double réaction chimique complexe entraine des dégradations physiques à l’échelle microscopique. À force de se dilater et de se contracter, le matériau se fissure et une pellicule SEI (Solid Electrolyte Interface) se forme à la surface des particules, qui deviennent progressivement inefficaces, ce qui entraine progressivement une perte de la capacité et une augmentation de la résistance.

Maitriser le vieillissement

Le vieillissement des cellules est inévitable, mais le défi consiste à le ralentir et à le maitriser. Les concepteurs disposent pour cela de multiples leviers.

Au premier rang desquels figure l’architecture 800 volts, dont Porsche fut un pionnier mondial avec la Taycan lancée en 2019. En doublant la tension utilisée jusqu’alors pour les batteries, on divise par deux l’intensité du courant à puissance égale, réduisant d’autant les contraintes. Le principal inconvénient de cette technologie pour le client est le coût, ce qui la réserve encore aujourd’hui au haut de gamme.

C’est aussi le 800 V qui permet d’augmenter la puissance de recharge, donc de réduire la durée d’une recharge. Avec 400 A (ampères) en pointe, soit 320 kW (800 V x 400 A), la deuxième génération de la Taycan passe ainsi de 10 à 80 % en 18 min (et même en un 7 à 77 % en 16 minutes dans les meilleures conditions selon nos propres tests, dont 45 kWh en 10 minutes).

Comme beaucoup d’autres technologies récentes (les microprocesseurs notamment), les batteries sont par ailleurs confrontées à de fortes contraintes thermiques. Sur ce plan, le défi consiste à tirer le maximum de performances des cellules, non seulement dans les limites du raisonnable pour leur vieillissement, mais également sans provoquer d’emballement thermique, donc d’incendie !

Les évolutions de la nouvelle Taycan témoignent des leviers à chaque échelle d’une batterie. Pour commencer, les ingénieurs ont optimisé le graphite constituant les anodes des cellules, vers lesquelles transitent les ions lors des décharges, pour réduire leur résistance. Au niveau supérieur, Porsche refroidit désormais directement les languettes qui relient les cellules constituant les modules de plusieurs cellules. La plaque de refroidissement, qui recouvre toute la surface de la batterie, a également été optimisée, passant de 6 à 10 kW.

Last but not least, le constructeur a amélioré les capteurs (température, courant…) et le logiciel du BMS (Battery Management System), pour qu’il régule tous les courants au point d’équilibre entre performances optimales et vieillissement maitrisé. Dit autrement, la batterie n’est plus du tout la même sur la nouvelle Taycan depuis 2024.

Ces multiples optimisations ont permis à la batterie de la Taycan d’augmenter sa capacité brute de 93,4 à 105 kWh (+ 12%), tout en réduisant (très légèrement) sa masse de 634 à 625 kg (- 1,4%), soit une densité énergétique augmentée de 148,7 à 168,3 Wh/kg (+ 13%). Le courant maximal a augmenté de 860 à 1000 A (+28%). Combinée à de nouveaux moteurs à la fois plus puissants et plus efficients, l’autonomie WLTP de la Taycan est ainsi passée de 503 à 678 km (+ 35%), la puissance de la Taycan Turbo S de 560 à 700 kW (+ 25%). Et la température minimale pour profiter pleinement de la recharge rapide est passée de 25 à 15°C.

Concurrence chinoise

La Porsche Taycan est devenue le mètre étalon du marché à son lancement en 2019, comme nous l’écrivions en introduction, mais la concurrence comble l’écart. Notamment la concurrence chinoise, qui prépare des batteries aux taux de recharge supérieurs ou égaux à 10C (avec des puissances de recharge en pointe supérieures ou égales à 10 fois la capacité de la batterie). Avec 320 kW pour 105 kWh, la Porsche Taycan se contente de 3C.

Interrogé par Frandroid, Porsche considère les taux de recharge de 10C peu pertinents, notamment car ils reposent souvent sur la chimie LFP, moins dense et moins performante que la chimie NMC qu’il lui préfère. Toujours est-il que les Zeekr 001, Xiaomi SU7 Ultra et Li Auto Mega passe de 10 à 80 % en moins de 10 minutes avec une chimie NMC.

Pour continuer à réduire la durée des recharges, le constructeur nous dit se focaliser sur la courbe de recharge entière, plutôt que sur une brève pointe, ainsi que sur l’efficience des moteurs, la résistance à l’air et au roulement.

Porsche étudie en revanche d’autres technologies d’avenir : d’une part les batteries solides, qui engendrent de nouveaux défis, mais en solutionnent bien davantage, et d’autre part le refroidissement direct (direct cooling), avec lequel le liquide est en contact avec les cellules.

Pour aller plus loin
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300 000 km et 15 ans de durée de vie

Toutes ces évolutions ne valent rien sans longévité. Mais Porsche promet des durées de vie supérieures à 300 000 km et à 15 ans… Les mêmes que pour ses voitures thermiques ! Avant leur mise sur le marché, les batteries et les voitures électriques de Porsche subissent de nombreux tests, dont des crash tests, qui feront prochainement l’objet d’un second article.