L'AGENDA DE L'AUTOMOBILE

Parlons technique ! La voiture électrique, épisode 1

Un nouveau rédacteur, après Me Teissedre, avocat, rejoint Sport-cars.fr. Il s’agit de Franck Brevet, consultant automobile, qui va nous parler de technique et nous présenter une série d’article très complets… On commence par un spécial « voiture électrique » en deux volets. Le premier, ci-dessous, a pour but de vous présenter l’évolution de la voiture électrique. Le second sera consacré à la pollution et l’usage et à une prise de position que nous partageons au sein de Sport-cars.fr ! »

Ce premier rendez-vous technique va tenter de s’attaquer à un sujet, certes pas très « sport », mais très à la mode ces temps-ci, la voiture électrique…

La voiture électrique hier…

Au début du siècle (le 20ème, pas celui ci…) La propulsion électrique motorisait environ 1/3 des véhicules en circulation. Suivait ensuite la vapeur qui offrait confort d’utilisation, performance, fiabilité (la machine à vapeur disposait déjà de 100 ans d’expérience à l’époque) et autonomie suffisante, mais réclamait les services d’un « chauffeur » qui devait veiller à faire chauffer la chaudière de la voiture, comme celle d’une locomotive, pour que le véhicule soit prêt à l’heure. Les moteurs à combustion interne étaient moins prisés car ils étaient compliqués à démarrer, à utiliser, peu fiable, bruyant et malodorant et il fallait faire le plein en allant chez le droguiste du coin,qui n’était pas toujours ouvert 24h sur 24.

L’automobile à cette époque était utilisée sur de petites distances, souvent en ville, ce qui correspondait bien à l’utilisation d’un véhicule électrique car déjà à l’époque la faible autonomie des batteries limitait son usage.

Les progrès réalisés dans tous les domaines par les moteurs à combustion interne et le besoin d’aller loin, facilement de manière économique, fut fatale à la vapeur qui était compliquée à utiliser ainsi qu’à l’électricité qui était handicapée par la faible autonomie de ses batteries.

Malgré tout n’oublions pas que La Jamais Contente du Belge Camille Jenatzy fut la première automobile électrique à franchir le mur des 100Km/h en 1899 mais sur une courte distance. Mais rapidement le moteur thermique offrit la même performance en vitesse de pointe mais sur des distances de plus en plus grandes.

Depuis cette période la voiture électrique ne réapparaîtra sur le devant de la scène que lors des crises énergétiques comme « solution d’avenir pour remplacer le pétrole », avant de sombrer dans un profond oubli une fois celles-ci passées. Les problèmes récurant d’autonomie et de temps de recharge désespérément long plombant ce type de motorisation à chaque fois.

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… et aujourd’hui

En ce début de siècle (le 21ème…) l’électricité fait un nouveau retour essayant d’offrir une réponse aux problèmes de pollution, de réchauffement climatique de fin du pétrole etc., etc.,

Les nouvelles normes anti-pollution de plus en plus sévères appliquées à l’automobile dans les années à venir imposant des quotas d’émission de C02 de plus en plus faible par gamme de véhicules permet à l’électricité d’essayer à nouveau de s’imposer comme une des solutions pour baisser la pollution de façon drastique tout en proposant un véhicule sans émission ce CO2 pouvant circuler dans des centres urbains de villes qui ont de plus en plus la tentation d’en interdire la circulation aux véhicules polluants.

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Comment ça marche la voiture électrique ?

Une voiture électrique est constituée de 4 composants principaux. Un moteur, un variateur de vitesse, un système batterie et un chargeur embarqué dans le véhicule.

Un moteur électrique est constitué d’un stator (fixe) dans lequel tourne un rotor. La technique la plus avancée est celle de type synchrone/brushless c’est-à-dire que le bobinage (fixe) en étant traversé par un courant alternatif triphasé entraîne en rotation le rotor aimanté, opposé au champ tournant du rotor. La gestion de la variation de vitesse en rotation du moteur se fait par l’intermédiaire d’un variateur d’intensité et de fréquence.

L’avantage du moteur électrique est de pouvoir entraîner les roues directement sans passer par une boite de vitesses, contrairement au moteur thermique et d’offrir son couple maxi dés le démarrage, le tout étant délivré sans vibrations et de façon moins bruyante qu’un moteur thermique.

Le moteur électrique est alimenté par des batteries composées de 2 métaux reliés par un pont électrolytique. Lorsque la batterie se décharge une électrode libère des électrons par oxydation, tandis que l’autre électrode les absorbe, par réduction. Cette différence de potentiel constitue une tension électrique entre ces deux électrodes.

(Pour plus d’information voir les cours de physique-chimie de vos enfants…)

Le talon d’Achille de l’électricité…

Pourquoi la voiture électrique à telle tant de mal à s’imposer face au moteur thermique ?

Tous ceux qui ont conduit une voiture électrique vantent ses qualités de souplesse, de confort et de vélocité face à une voiture thermique, mais critique son autonomie car le point noir de la voiture électrique est le stockage de l’énergie dans les batteries.

Quel est le problème ? Il faut savoir que l’énergie spécifique contenu dans 1 kilo d’essence équivaut à environ 11KWh alors que l’énergie contenu 1 kilo de batterie Li-Ion Polymére équivaut à environ 0.3KWh (ceci est une moyenne).

Un réservoir d’essence de 45 litres, soit 34 kilos, à un potentiel énergétique de presque 375KW/h alors que 34 Kilos de batterie permettent tout juste de stocker 11 KWh soit l’équivalent 1 kilo d’essence !

A cela il convient d’ajouter le rendement propre à chaque type de motorisation. Un moteur thermique va restituer en travail 1/3 de l’énergie qu’il aura consommé alors qu’un ensemble moteur électrique + variateur va en restituer environ 85%.

Pour résumer 1 kg d’essence consommé par un moteur thermique fourni un travail équivalent à 3.3KWh (11Kwh x 0,3) ,alors que l’énergie fournie par 1 kilo de batterie ne permettra à un moteur électrique de ne développer que 0.26KWh (0,3Kwh x 0,85)! De plus ce calcul ne prend pas compte le poids du « contenant »! Pour l’essence un simple réservoir de quelques kilos suffit pour l’embarquer dans un véhicule, mais pour l’électricité c’est plus compliqué…

Qu’est ce qu’un système batterie ?

Autant le stockage de l’essence est simple à ressouder, autant celui de l’électricité est d’une bien plus grande complexité. Le système batterie d’un véhicule est constitué d’un ensemble de modules, lui même n’étant qu’un assemblage de cellules. Et se sont ces dernières qui stockent l’énergie.

Cet assemblage permet de définir l’énergie contenue par le système batterie. La cellule est l’élément de base qui va stocker l’électricité. La fabrication de ces cellules est réalisée par laminage de feuille de Lithium ionique ou polymère. La maîtrise de ce process est l’un des secrets qui permet d’obtenir des cellules performantes en terme de stockage et au comportement fiable dans le temps.

« L’enveloppe extérieur » du système batterie est là pour protéger les batteries en cas d’accident car si des cellules au lithium, sont transpercées par un corps métallique, le court circuit qui en résulterait peut provoquer une déflagration potentiellement dangereuse.

Dans le cas de la Nissan Leaf, le poids du système batterie sécurisé, est de 270Kg pour 24KWh d’énergie soit 0,09KWh pour un kilo. Comparé au 11KWh de l’essence, le rapport de densité entre l’essence et l’électricité de plus de 100 ! La Tesla, icône de la sportivité électrique, fait un peu mieux en proposant un rapport de 0,117Kwh pour 1 kilo de batterie. C’est mieux mais la route sera encore longue…

Sécurité de fonctionnement de la voiture électrique

Comme l’électronique est partout, le système batterie est lui aussi surveiller par une armée de puces savantes, qui regroupées sous le doux nom de BMS (Battery Management System), vont superviser le fonctionnement de la bête à chaque instant. Le BMS va contrôler que les batteries ne chauffent pas de trop lorsque vous solliciterez trop souvent l’accélérateur, ou lorsque la température extérieure sera élevée. Un système de régulation de la température sera là pour maintenir à la bonne température le système batterie.

Les très basses températures peuvent être là aussi préjudiciable en faisant perdre jusqu’à 20% de capacité de stockage. Le BMS veille aussi à ce que les batteries ne se déchargent pas de trop, ou qu’elles ne soient pas trop chargées car cela risque d’accélérer leur vieillissement ! Par exemple, Chevrolet annonce que les batteries de sa Volt ne seraient exploitées que dans une fourchette de charge comprise entre 25 et 90% pour assurer un bon ratio autonomie/longévité. Sur ce point Nissan n’indique pas si la puissance de 24Kwh de la Leaf est nominale ou utile mais le même genre de précaution a sûrement dut être appliquée. Quant aux recharges rapides il faut savoir que cela fatigue les batteries et qu’il ne faut pas en abuser. Nissan annonce une perte de capacité de stockage de 2% en cas de ‘coup de chaud de la batterie’ cela parait faible mais représente malgré tout une perte moyenne de 3 Km d’autonomie. Le moindre kilomètre d’autonomie perdu prend vite l’allure de tragédie avec l’électricité…

Il ne faut pas non plus attendre de miracle de la récupération d’énergie au freinage. S’il est possible de recharger en transformant le moteur en alternateur lors de cette phase, la recharge des batteries n’est jamais instantanée car lorsque celles-ci son en mode « décharge »(véhicule en mode traction), il se passe toujours un certain temps (plus de 10 secondes) pour que la « chimie » interne de la batterie passe en mode « recharge » (véhicule en mode récupération). Une conduite en ville alternant accélération et freinage n’apportera que peu de recharge et aura tendance à faire chauffer la batterie alors que la descente d’un col par exemple, permettra vraiment de récupérer de l’énergie.

A suivre…

Nous aborderons dans un second article : le calcul de la puissance nécessaire pour maintenir un véhicule électrique  à vitesse stabilisée, la pollution, l’usage…

La voiture électrique hier…