Comment fonctionne de A à Z une voiture électrique ? Si le principe est bien plus aisé et simple à comprendre que celui du moteur thermique, il est tout de même intéressant de se pencher plus en détail sur la (les) technique(s).
Commençons donc par l’architecture de base.
Architecture d’une voiture électrique
Commençons pas l’essentiel, à savoir les grands éléments qui composent le système de traction d’une voiture électrique :
Gestion / modulation des flux électriques
Convertisseur DC/DC
Il sert à convertir la haute tension (330V) de la batterie Lithium ion pour la batterie de servitude au plomb (12V). Donc 330V >> 12V
Chargeur embarqué / redresseur
Il transforme le courant alternatif en provenance de la prise vers un courant continu destiné à la batterie de puissance.
Calculateur / Ondulateur / redresseur
C’est le calculateur de puissance et gère beaucoup de choses … Il contrôle les flux d’énergie grâce aux nombreux capteurs qu’il dispose. Par exemple, quand j’accélère j’appuie sur un capteur (la pédale) dénommé potentiomètre (c’est la même chose sur les voitures thermiques modernes), le calculateur gère alors le flux d’énergie à envoyer vers le moteur selon mon « degré d’accélération ». Idem quand je relâche la pédale, il va gérer la récupération d’énergie en envoyant le jus généré par le moteur électrique (réversible donc) vers la batterie tout en modulant le débit électrique.
Il peut onduler le courant grâce à un hacheur (batterie vers moteur) ou encore redresser le courant (récupération d’énergie alternative pour la batterie à courant continu).
Recharge ? Alternatif et Continu ?
Les voitures électriques peuvent être rechargées par un courant alternatif ou continu.
Courant alternatif (maison et petits chargeurs)
A la maison on aura affaire à un courant alternatif qui devra passer par un redresseur interne à l’auto : AC/DC. C’est cela qui limite la capacité de recharge car ce redresseur ne peut pas avoir une grosse capacité : coût et encombrement. On sera alors limité à un peu plus de 20 kW pour les voitures les mieux dotées, et en général on sera vers les 10 kW de limite si vous avez une bonne installation électrique qui permet de monter jusqu’à ce niveau. De base, une prise classique délivre 2.7 kW bien que l’auto puisse prendre plus (là on se limite à ce que fournit la prise électrique au niveau ampères).
Par exemple, sur une Model 3 on la branchera à la maison avec un connecteur de Type 2 puisqu’il s’agit de courant alternatif. Un convertisseur interne permet alors d’absorber des recharges d’un niveau de puissance jusqu’à 11 kW. Une Model S peut quant à elle aller jusqu’à 22 kW sur les versions avant 2016 (après, les S et X se limitent à 16.5 kW)
Courant continu : superchargeurs haute capacité
Les superchargeurs sont en revanche à courant continu et ne nécessitent pas de passer par un convertisseur interne à la voiture : la capacité de recharge peut alors être énorme : jusqu’à plus de 250 kW.
Quand on charge au courant continu, (forte capacité), on a alors une autre prise sur la Model 3 (sur une Model S / X l’allure de la prise est en revanche identique, mais la norme européenne se dirige vers la prise CCS / Combo)
Voici la prise appelée Combo ou CCS
Stockage de l’énergie
Batterie
C’est l’élément qui emmagasine l’énergie électrique grâce à une solution chimique. On utilisait auparavant dans les années 90 des batteries au plomb, d’où une autonomie limitée et une encombrement très important. Désormais on utilise les batteries au Lithium qui emploient un principe similaire tout en étant plus efficace. Pour faire simple il s’agit d’avoir une solution chimique à laquelle on peut soutirer des électrons. Une fois qu’on lui a tout pris cette solution devient stable : il n’y a plus de déséquilibre entre les bornes 6 et +, il n’y donc plus de jus à tirer. Pour recharger la batterie, on réinjecte des électrons à la borne – pour remettre la solution en déséquilibre et pouvoir de nouveau tirer du jus entre les bornes – et +. Si vous voulez connaître le fonctionnement en détails des batteries Lithium Ion allez faire un tour ici.
Tous les détails sur le fonctionnement des batteries Lithium Ion ici
Pile à combustible
Une pile à combustible est une sorte de batterie, la différence qu’elle se recharge en la remplissant de combustible, et non pas en lui réinjectant des électrons (de l’électricité donc). C’est donc un moyen rapide de faire le plein, bien plus qu’avec les batteries Lithium Ion malgré les bornes de recharge rapides assez efficaces.
Hélas, et si l’hydrogène est l’atome le plus répandu dans l’univers, il n’y en a plus beaucoup sur Terre (le soleil en est bourré, il le compresse devant nos yeux) … Car tout ce qui nous entoure était à la base de l’hydrogène qui a été tellement compressé dans les étoiles que cela a donné lieu à des matériaux plus lourds : carbone, fer, eau etc. (tout en fait … absolument tout le reste). Il n’y avait au début de l’univers que de l’hydrogène, c’est l’atome le plus simple qui soit : il a un proton et un électron ! On ne peut faire moins, c’est donc la matériaux le plus léger.
On arrive à en produire (ou plutôt en extraire de la matière) mais cela est très coûteux en énergie fossile, ce n’est donc pas parfait.
Voir le fonctionnement de la pile à combustible
Autre procédé ?
Il y a des milliers de manières de jouer avec les électrons, reste maintenant à trouver une solution chimique qui sera peu polluante et qui pourra emmagasiner rapidement des électrons en elle. Le Zync serait un belle voie d’avenir mais je n’en sais pas plus.
Moteur électrique
Le moteur électrique reprend un principe de physique pour son fonctionnement. Il s’agit d’exploiter la force électromagnétique pour générer du mouvement.
La science a en effet découvert que « l’épiderme » des atomes était constitué d’électrons. Certains épidermes ont un « surplus » d’électrons qui peuvent alors se balader d’un atome à l’autre (ce sont les matériaux conducteurs et on appelle cela le courant électrique). Ces électrons peuvent être bougés en leur envoyant des rayons électromagnétiques (lumière) mais aussi en le soumettant à un champ magnétique (aimant, mais sachez que lumière et champ magnétique sont liés entre eux).
On a donc eu l’idée de faire bouger un aimant à côté d’un fil de métal et on s’est aperçu que cela produisait du courant (qui va dans le sens du mouvement de l’aimant. Ce dernier entraîne les électrons à la surface des atomes). On a donc rapidement fait des montages circulaires plus intelligents : on met un aimant rotatif au milieu d’une bobine de cuivre (on peut aussi faire l’inverse, le cuivre au milieu et les aimants en périphérie. Et c’est d’ailleurs ce que l’on voit sur les moteurs électriques) ce qui produit de l’électricité en continue quand on le fait tourner (l’aimant). On a donc ici découvert en premier lieu le côté réversible du moteur électrique. Car ici on arrive à produire de l’électricité consécutif à un mouvement mais pas un mouvement à partir de l’électricité (ce que l’on recherche pour notre voiture électrique ici).
On a alors tout simplement essayé de faire l’inverse : Dans notre système d’aimant rotatif on a injecté de l’électricité dans la bobine. Et là miracle, l’aimant s’est mis à tourner ….
C’est donc le côté très intéressant du moteur électrique, il sait faire deux choses à la fois : créer un mouvement quand il reçoit de l’électricité ou créer de l’électricité si on le met en mouvement.
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En général le rotor est à induction / asynchrone, c’est à dire qu’il a sur lui (au lieu d’un aimant comme sur le schéma) des petites bobines dans lesquelles de l’électricité (et donc de l’aimantation) est induite par le champ magnétique du stator. Mais le principe reste toujours le même : faites bouger un aimant devant du cuivre et vous génèrerez de l’électricité, ou envoyez de l’électricité dans du cuivre et vous ferez bouger l’aimant. Sans oublier qu’envoyer de l’électricité dans une bobine génère un aimant.
Il faut donc comprendre que le mouvement et la transmission d’énergie se fait sans contact entre le stator et le rotor : c’est la force magnétique (force de l’aimant) qui fait bouger les choses. Niveau usure on peut donc être rassuré.
Pour inverser le sens de fonctionnement du moteur (donc passer la marche arrière) il suffit alors d’envoyer du courant dans l’autre sens.
Voir ici pour les détails du fonctionnement d’un moteur électrique.
Transmission
Le moteur électrique ayant une plage de fonctionnement très élevée (16000 t/min sur une Model S par exemple) et un couple disponible rapidement (plus on est bas dans les régimes plus on a de couple), il n’était pas indispensable de produire une boîte de vitesses.
On a donc en quelque sorte un moteur qui est directement connecté aux roues ! La démultiplication ne changera pas que vous soyez à 15 ou 200 km/h.
Bien évidemment, le rythme du moteur électrique n’est pas exactement calé sur celui des roues, il y a ce que l’on appelle un réducteur.
Sur une Model S il est de 10:1 environ, c’est à dire que la roue va tourner 10 fois moins vite que le moteur électrique. Le rapport de réduction est généralement obtenu par un train épicycloïdal, chose que l’on connaît surtout dans les boîtes de vitesses automatiques.
Après ce réducteur il y a enfin le différentiel qui permet de faire tourner les roues à des vitesses différentes.
Embrayage ?
Pas besoin d’embrayage ni de convertisseur de couple car si un moteur thermique a tout le temps besoin d’être en mouvement ce n’est pas le cas d’un moteur électrique. Il n’a donc pas de régime de ralenti ni besoin d’un embrayage qui fait le pontage entre les roues et le moteur : quand les roues s’arrêtent pas besoin de débrayer.