TECHNIQUE : LA VOITURE ELECTRIQUE
L'AUTOMOBILE SOUS TENSION
Au fil des salons, on se dit que les constructeurs sont prêts à sortir du moteur thermique. A bout de souffle techniquement et englué dans les scandales de pollution, la porte de sortie toute trouvée pour l'automobile se nomme électricité. Pas de combustion, pas d'émission, pas de pollution ! Et pourtant, l'offre est encore très limitée. La voiture électrique, la vraie mobilité de demain ?
Texte : Sébastien DUPUIS - Photos : D.R.
Alors que nos chers politiciens s'évertuent à nous promettre le changement à longueur d'élections, de conférences et de "sommets" internationaux, certaines personnes s'emploient à le mettre en oeuvre pour de vrai. Et la solution ne date pas d'hier. Le premier prototype de voiture électrique est en effet attribué à Gustave Trouvé et date de... 1881 ! En 1900, un jeune ingénieur du nom de Ferdinand Porsche présentait lui aussi sa première automobile électrique à l'exposition universelle de Paris pour le compte du constructeur autrichien Lohner. Selon les chiffres officiels, en 1900, sur 4192 véhicules fabriqués aux États-Unis, 1575 étaient électriques, 936 à essence, et 1681 à vapeur. Mais la suite on la connaît tous, l'automobile à essence, brevetée notamment par Carl Benz, finira par supplanter la voiture électrique. Pourquoi une telle domination ? Profitant d'un prix du pétrole très abordable jusque dans les années 70, le développement technologique du moteur thermique sera tellement rapide qu'il ne laissera aucune chance au moteur électrique. Si aujourd'hui le prix du pétrole n'est toujours pas un facteur dissuasif, d'autres paramètres sont venus s'ajouter à l'équation, le premier d'entre eux étant le réchauffement climatique, menace la plus sérieuse qui pèse sur l'humanité toute entière.
UN RETOUR EN GRACE
La première voiture électrique réellement produite en série, est la EV1 produite à 1117 exemplaires et vendue sous le nom de General Motors, entre 1996 et 1999. Loin d'être un flop, après être passé des batteries au plomb aux batteries Nickel-Metal Hydride, le programme EV1 fut malgré tout arrêté brutalement en 2001 alors que son autonomie de 200 km était jugée suffisante pour ses clients. La raison de cet arrêt tient du secret d'Etat...
Mais le moteur électrique aura droit à sa revanche. Fondée en 2003 par un groupe d'ingénieurs de la Silicon Valley, Martin Eberhard, Marc Tarpenning, Ian Wright, Elon Musk et JB Straubel, l'entreprise Tesla a l'intention de prouver que les véhicules électriques peuvent être plus performants que les voitures à essence. Son nom rend d'ailleurs directement hommage au scientifique serbe Nikola Tesla, célèbre physicien à qui l'oon doit le moteur à induction à courant alternatif, breveté en 1888.
Lancée en 2008, la Tesla Roadster reprend une idée vue quelques années plus tôt avec la Venturi Fetish : la voiture de sport électrique ! Elle va permettre à la marque de se faire rapidement un nom et une image, en devenant, sans mauvais jeu de mot, la sportive "branchée" des stars californiennes. Développée et dessinée avec Lotus Cars, qui a fourni le châssis de la l'Elise, elle s'habillait d'une carrosserie en fibre de carbone (confectionnée en Bretagne !) pour maintenir son poids à 1358 kg. Avec sa batterie lithium-ion la Tesla Roadster offrait une autonomie de 340 km et un 0-100 km/h en 3,9 secondes. Mais son ultime atout, face à une Venturi totalement "déconnectée", était son prix "presque" raisonnable de 84.000 €. Avec le Roadster, Tesla sortait aussi des chemins classiques du modèle automobile en adoptant la vente "on-line" via son site internet, comme pour un banal matériel informatique. Précisément à la croisée des chemins entre automobile et informatique, ce n'est sans doute pas exégéré de dire que Tesla, a réellement ouvert la voie de l'automobile du 21ème siècle, bien plus que Venturi ou n'importe quel autre constructeur avant lui. Mais aujourd'hui Tesla n'est plus seul et les projets foisonnent autant que les prototypes toujours plus puissants émergent chez des constructeurs souvent inconnus. Avec l'électricité, l'automobile ouvre la porte à une vague de création d'entreprises comme elle n'en avait pas connue depui ses débuts. Mais parmi ces innombrables start up de l'automobile propre, combien seront réellement durables ?
LE MOTEUR ELECTRIQUE
Les premiers moteurs électriques à être utilisés sur les véhicules électriques furent les moteurs à courant continu (DC motor). Faciles à piloter en vitesse, ils souffraient pourtant d'un rendement limité, d'une vitesse de rotation élevée et de pertes thermiques dues au rotor difficiles à évacuer. La seconde génération de voitures électriques s'orienta donc vers des moteurs à induction ou asynchrones.
S'il ne date pas d'hier, le moteur à induction asynchrone a mis du temps à s'imposer. Ses principaux avantages sont une baisse du niveau sonore et une durée de vie supérieure. Des avantages aussi appréciables dans un lave-linge que dans une automobile ! Dans un moteur à induction, l'énergie électrique est induite dans le rotor par les champs magnétiques. Ce principe de "rotation électromagnétique" avait été mis en pratique par le physicien Michael Faraday dès 1821 avant d'être mis en pratique par Nikola Tesla. Le rotor entraîne le moteur pour générer la puissance, ou ce qu'on appelle l'énergie en physique. Un moteur à induction est habituellement de type triphasé. Les trois asynchrone triphasé moteur est classé en rotor bobiné et un rotor en cage d'écureuil. Le moteur à induction est généralement constitué de cuivre, d'aluminium et l'acier. Un moteur à induction est un moteur asynchrone, ce qui signifie puissance est fournie au rotor par le stator ou la partie fixe d'abord, et ensuite convertis en couple en raison de la force magnétique que le stator produit dans le processus. Le moteur se compose de deux pièces principales : le stator, qui est relié au réseau ou à un variateur de vitesse et le rotor, qui est constitué de conducteurs en court-circuit parcourus par des courants induits par le champ magnétique créé par les courants statoriques. Le terme asynchrone provient du fait que la vitesse de ces machines n'est pas forcément proportionnelle à la fréquence des courants qui les traversent.
Son faible coût et sa fiabilité en font un choix privilégié pour les véhicules hybrides également. Le principal inconvénient du moteur à induction est son rendement moindre, les meilleurs étant utilisés chez Tesla avec des rotors avec barres de cuivre dont le rendement maxi atteint 88%. C'est pourquoi plusieurs constructeurs ont fait le choix du moteur synchrone, bien que plus délicat à piloter et potentiellement moins robuste. Ces deux moteurs fonctionnent grâce à l'électromagnétisme et ils sont tous deux constitués de deux parties principales ayant dans les deux cas la même fonction : Le stator, partie (métallique) fixe du moteur de forme cylindrique et vide qui induit la rotation du rotor par un champ magnétique tournant ; Le rotor, partie (métallique) mobile du moteur de forme cylindrique située à l'intérieur du stator et qui tourne sous l'influence du champ magnétique induit par le stator. Historiquement cantonné à la fonction d'alternateur sur nos automobiles, le moteur synchrone offre encore le meilleur rendement (90%). On en distingue deux sortes : le moteur synchorne à rotor bobiné et stator (Renault-Nissan, Bolloré) et le moteur synchrone à aimants permanents (Toyota Prius).
Mais que cela concerne le poids, l'encombrement ou mêmes les performances, les perspectives de progrès des moteurs électriques sont encore réelles. Ainsi, le "moteur-roue" fait partie des solutions envisagées par Michelin et son concept « Active Wheel ». D'autres comme la société française Phoenix, planchent sur l'efficacité des moteurs avec des aimants surpuissants et une nouvelle géométrie. Ces moteurs dit « à flux axial » affichent un rendement qui dépasse les 90% et un poids/encombrement presque deux fois inférieur au moteur classique.
Le rendement du moteur électrique
Les moteurs de voitures électriques fonctionnant en courant continu ont un rendement d'environ 85%. Pour comparaison, le rendement d'un moteur thermique automobile est de l'ordre de 30 à 40% pour les meilleurs (Diesel) en raison principalement des pertes d'énergie sous forme de chaleur (dissipée par le radiateur) et des frottements mécaniques.
Pour donner un ordre d'idée de comparaison, 1 litre d'essence contient 34 MJ (Mega joules*) d'énergie, soit l'équivalent de 9,4 kWh. Pour 1 litre de diesel c'est un peu mieux avec 40 MJ, soit 11 kWh. Ainsi pour 1 kWh d'énergie électrique (soit 3.6 MJ) il faut consommer : 3.6/34 (pouvoir calorifique moyen de l’essence) = 0.10 kg d’essence soit 0.75 litre (densité de 0.75). En tenant compte des différentes pertes de rendement, on parcourera donc près de 3 fois plus de distance avec un moteur électrique qu'avec un moteur thermique pour la même quantoté d'énergie consommée.
LES BATTERIES
Les batteries au lithium, aujourd'hui utilisées par tous les constructeurs de voitures électriques ou presque, ont permis d'améliorer considérablement les caractéristiques des véhicules électriques et de rendre leurs l'utilisation réellement possible. Le lithium permet en effet de stocker énormément de charges électriques (densité énergétique de 150 Wh/kg à 200 Wh/kg, soit six fois plus que le plomb). En cas de court-circuit suite à un incident, la batterie est toutefois susceptible restituer cette énergie de façon aussi brutale que l'explosion d'un réservoir de carburant...
Même si cela reste 50 fois moins dense en énergie que les carburants liquides, la technologie Li-ion autorise un grand nombre de cycle de charge / décharge, et n'a pas "d'effet mémoire" contrairement aux anciennes batteries Ni-Cd ou au plomb. Il existe un fort potentiel d'amélioration : le CEA développe en laboratoire la technologie Li-Air : 2500 kW.h / kg... presque autant qu'un litre d'essence (2600kW.h / kg en tenant compte du rendement moteur. A terme, d'autres travaux de recherche se focalisent sur les batterie sans lithium, dont le sodium (CNRS) ou encore sur des technologies de carburant chargé électriquement (NanoFlowCell) qui allieront performance et coût grâce à des matières premières abondantes.
LA RECHARGE D'UNE VOITURE ELECTRIQUE
Le chargement d'une voiture électrique est possible n'importe où pourvu qu'il y ait une prise de courant. Le type de prise ou de station de recharge déterminera la rapidité du chargement. La plupart des prises sont des prises domestiques standards (16 A ou 32 A en 230 V) ou des prises de service à puissance plus élevée.
En 2013, la commission européenne avait retenu la prise de type 2 comme standard. Un format boudé par nos constructeurs et fournisseurs qui ont préféré la prise de type 3... Format qui équipe encore la majorité des bornes de recharge et prises électriques en France actuellement. Dans le cadre d'une harmonisation inévitable, celle-ci devrait toutefois disparaitre à terme. L'ADEME impose déjà aux collectivités qui veulent bénéficier de l'aide au déploiement de bornes de recharge de prévoir l'installation de bornes équipées de prises type 2 et domestique. Depuis novembre 2015, Renault livre également en série sur ses modèles électriques un câble pour se brancher aux prises de type 2.
Dans la construction de logements ou abtiments neufs, le promoteur est tenu de pré-équiper 10% des emplacements des parcs clos et couverts. Les parkings publics de plusieurs grandes surfaces ont également mis en place la possibilité de recharger une voiture électrique. L'occasion de recharger gratuitement durant ses courses. Demain, on peut imaginer que pour suivre le développement de la voiture électrique des "stations-services électriques" verront ausis le jour pour proposer des recharges rapides. Avec son partenaire Bettter Place en Israël, Renault a même prévu la batterie interchangeable pour qu'en moins de 5 minutes le client reparte avec une batterie chargée !
A domicile, la nuit est généralement le moment le plus opportun pour recharger votre véhicule, lorsqu'il est garé dans votre garage, notamment pour profiter du tariuf heures creuses si votre contrat le prévoit. Le temps de charge d'une batterie d'une voiture électrique est d'environ 8 h avec une prise domestique de 16 ampères et de 5 h avec une prise 32 A. Les prises à puissance plus élevée chargeront jusqu'à quatre fois plus vite que les prises domestiques standards mais leur installation/utilisation est plus coûteuse.
| Volts / Ampères | Kilowatts | km d'autonomie par heure de charge |
|
|---|---|---|---|
| Prise standard (Europe continentale) | 230 V / 13 A | 3,0 kW | 14 |
| IEC 60309 bleu - Adaptateur de service | 230 V / 32 A | 7,4 kW | 40 |
| IEC 60309 rouge - Adaptateur de service | 400 V / 16 A | 11 kW | 55 |
| CEI 62196 Type 2 | 230 V / 16 A | 3,7 kW | 18 |
| CEI 62196 Type 2 | 230 V / 32 A | 7,4 kW | 36 |
| CEI 62196 Type 2 | 400 V / 16 A | 11 kW | 55 |
| CEI 62196 Type 2 | 400 V / 32 A | 22 kW* | 110 |
* Taux de recharge atteignable seulement avec les chargeurs doubles.
SUPERCHARGEUR TESLA
Les Superchargeurs sont des chargeurs gratuits comptant plusieurs bornes pour les clients de Tesla Model S, stratégiquement placés afin de limiter le nombre d'arrêts lors des longs trajets (> Voir la carte). Un Superchargeur est composé de plusieurs chargeurs qui fournissent chacun jusqu'à 120 kW de courant continu (DC) directement à la batterie. Un Superchargeur à pleine puissance peut recharger environ la moitié de la batterie en 20-30 minutes.
VOITURE ELECTRIQUE, QUELS AVANTAGES ?
Les voitures électriques se distinguent de leurs équivalents thermiques – essence ou diesel – par plusieurs avantages économiques ou écologiques. Encore chères à l'achat pour la plupart, elles profitent d'un bonus écologique de 6300 euros à l'achat neuf, d'une carte grise gratuite dans plusieurs départements et d' une exonération totale de la Taxe sur les Véhicules de Société (TVS).
A la conduite, on apprécie facilement un agrément de conduite supérieur dû à l'absence de bruit et au couple disponible immédiatement. Par ailleurs, le fait de pouvoir parcourir environ 100 km avec seulement 2 € dans le cas d'une recharge à domicile et même gratuitement dans le cas d'une utilisationd e borne publique, est déjà une motivation importante pour beaucoup de gens. Même si l'autonomie est encore très limitée face à un diesel, pour des petits trajets quotidiens, les modèles 100 % électriques actuellement proposés à la vente sont déjà suffisants. Et pour ceux qui ont l'angoisse de la batterie vide, certaines marques comme BMW proposent en option un "prolongateur d'autonomie" utilisant un petit moteur thermique pour recharger les batteries. Ainsi équipée, la BMW i3affiche une autonomie réelle comprise entre 130 et 340 km.
Dans le même temps, la conscience écologique est satisfaite par l'absence totale d'émissions polluantes à la sortie du pot d'échappement. Et pas seulement polluante d'ailleurs, puisqu'elles concernent autant le CO2 que tous les autres rejets de combustion (HC, NOx, particules fines...). Plus encore que la pollution de l'air, c'est l'enjeu du réchauffement climatique (et des normes imposées par l'Europe ou les USA) qui pousse les constructeurs dans cette voie. Evidemment, ceci est vrai uniquement dans un monde où l'électricité est d'origine nucléaire ou, beaucoup mieux encore, renouvelable...
Enfin, contrairement aux véhicules à moteur thermique, la voiture électrique ne nécessite qu'un entretien minime : ni vidange, ni remplacement de filtres, de bougies d'allumage, d'embrayage ou d'échappement. Il est même rare qu'il soit nécessaire de changer les plaquettes de freins, car la majeure partie de l'énergie générée au freinage est récupérée par le moteur et renvoyée vers la batterie. On estime l'économie par rapport à un modèle thermique autour de 50%. Par ailleurs, les voitures électriques afficheraient une faibilité bien supérieure avec un taux de panne divisé par trois.
Le seul véritable point noir peut concerner les batteries au lithium dont la durée de vie est généralement estimée entre 5 et 10 ans. On peut donc se poser la question de la décote et de la revente de modèles dont la technologie et les performances évoluent encore très rapidement. C'est pour lever ce frein que la plupart des constructeurs proposent des offres de location ou leasing qui libèrent l'acheteur de ces contraintes avec le confort d'un budget mensuel totalement prévisible.
DEFINITIONS
L'énergie et la puissance sont étroitement liées. L'utilisation de puissance pendant une durée donnée génère ou consomme de l'énergie. Le rapport mathématique entre les deux est simple à condition de mémoriser les unités à utiliser (kWh, kW et h). Le rapport est le suivant : énergie (kWh) = puissance (kW) x durée (h)
Puissance (V) :
La puissance est la quantité de travail (énergie) fournie par unité de temps. Le watt (du nom de l'ingénieur et inventeur James Watt) est l'unité de mesure de l'énergie reconnue au niveau international (hors Etats-Unis). Un watt est égal à 1 joule par seconde. Le watt en soi ne représente pas une très grande quantité d'énergie aussi le terme de kilowatt-heure (abrégé kWh) est plus souvent utilisé.
Energie (J) :
Le joule (du nom du physicien James Joule) est l'unité de mesure de l'énergie dans le système international (hors Etats-Unis). 1 joule correspond à une faible quantité d'énergie, c'est pourquoi on utilise plus couramment une autre unité de mesure, le kilowattheure (abrégé kWh) . Le rapport est le suivant : 1 kWh = 3,6 millions de joules (abrégés 3,6 MJ ). Le terme de mégawatt-heure (1000 kWh, abrégé MWh ) est plus adapté aux valeurs mises en oeuvre en matière d'automobile.
Kilovoltampère (kVA) :
Le produit de la tension (U) par le courant (I) s'appelle puissance apparente (S) et s'exprime en VA (volt-ampère). Elle est utilisée pour quantifier la capacité de puissance d'un transformateur ainsi que pour définir le type d'abonnement chez le fournisseur d'électricité. Par exemple, un transformateur qui peut délivrer 1 000 ampères sous 220 volts sera appelé un transfo de 220 kVA (kilo-volt-ampères). Pour connaître la puissance équivalente en kW il faut multiplier cette valeur par le "cos phi" de l'installation électrique.
CONCLUSION
Née il y a plus d'un siècle, la voiture électrique semble en passe de prendre sa revanche sur la voiture thermique qui l'avait supplantée. Mais de nombreuses contraintes limitent encore le développement et l'usage de la voiture électrique, les principaux étant l'autonomie et la rapidité de recharge. Ces inconvénients sont liés à la technologie mise en oeuvre avec des batteries au lithium et des infrastructures pas toujours adaptées à founir une puissance élevée en un temps limité. Le réseau des bornes de charge est encore loin d'être satisfaisant mais les constructeurs planchent sérieusement sur le sujet et on peut penser que les progrès seront rapides...
