Le rendement des voitures électriques.

Le rendement des voitures électriques.

30 Septembre 2021

Les voitures électriques à batterie (VEB) sont réputées très économes en énergie, surtout si on les compare à leurs homologues à pétrole.

Ces compliments sont généralement confortés par l'évocation de rendements moteurs impressionnants, jusqu'à 98 %, de nature à couper court à toute question gênante.

Sans être complètement fausses, ces performances ne sont pas totalement vraies, comme d'ailleurs les informations diffusées par certaine presse le doigt coincé entre les impératifs de la publicité mère nourricière et la volonté d'informer l'usager soucieux d'y comprendre quelque chose.

Ce qui conduit le lecteur au premier degré à s'imprégner d'une réalité alternative qui se révèle décevante lorsqu'elle est confrontée au monde réel. Mais ne nous égarons pas...

Heureusement l'initié sait que dans la « vraie » vie il n'existe pas de rendement de 98% pour un processus complexe d'échange d'énergie, comme peut l'être une propulsion électrique.

Certes, notre moteur électrique est impressionnant d'efficacité lorsqu'il est placé en laboratoire sur un banc de mesures, et placé dans les conditions idéales pour donner le meilleur de lui-même.

Dans le relevé couple-régime on va bien trouver une zone, plus ou moins étendue, où le rendement sera très élevé .

Mais les pertes Joules, les pertes magnétiques, les pertes par commutation et les pertes par courants de Foucault sont hélas inévitables et sont loin d'être négligeables à fort courant et haute fréquence ( plus de 10 000 tr/min à 120 km/h ).

Et un banc de mesure n'est pas une voiture, faut-il le préciser.

Pour faire avancer l'auto, il faut adjoindre au moteur « quelques » accessoires indispensables afin de constituer une chaîne de propulsion :

Batterie + Convertisseur onduleur triphasé + Moteur proprement dit + Variateur ou réducteur + Transmission + Pneumatiques.

A ces organes de base il faut ajouter deux ou trois choses qui ne contribuent pas à la propulsion, mais vont consommer « un peu » d'énergie :

Pompe de circulation de liquide de refroidissement pour évacuer la chaleur de la batterie, du convertisseur, et du moteur.

Moteur du ou des ventilateurs de refroidissement.

Pompe du compresseur d'huile du circuit de freinage.

Pompe du circuit de direction, ou moteur électrique s'il y a lieu.

Electronique de gestion du groupe moteur-convertisseur.

Electronique de gestion de la communication.

(Et selon les circonstances, éclairage, essuie-vitres, climatisation).

En sorte que l'énergie fournie par la batterie se trouve amputée d'une quantité non négligeable avant d'arriver jusqu'au contact des pneumatiques avec la route.

Le DOE ( US Department Of Energie ) a fait réaliser une étude de l'efficacité énergétique des véhicules et en particulier de la voiture électrique en usage moyen et en usage autoroutier.

( Ref : https://www.fueleconomy.gov/feg/atv-ev.shtml)

A consulter pour les détails.

Sur autoroute le rendement est de l'ordre de 75%, compte non tenu des pertes d'énergie lors du chargement de la batterie.

On voit que nous sommes très loin des 95% annoncés parfois ici et là dans les magazines, du moins en France.

Ces valeurs sont essentielles car elles impactent directement l'autonomie du véhicule à batterie.

(Mais si nous voulons connaître l'efficacité énergétique « du puits à la roue », il faut tenir compte de l'efficacité du procédé qui a permis d'obtenir cette électricité, de la transporter jusqu'au point de distribution, et des pertes du système de chargement de la batterie.

En première approximation on peut évaluer ces pertes supplémentaires entre 10 et 20% pour de l'électricité verte, ce qui ramène le rendement énergétique global à 60% environ.

Ce qui demeure encore très supérieur à l'efficacité énergétique d'un véhicule thermique à carburant fossile (20à 25%).

Nous n'avons pas examiné le cas d'un véhicule électrique alimenté par de l'électricité provenant d'une centrale thermique alimentée en combustible fossile, ce cas étant évidemment absurde, Mais probablement fréquent actuellement, l'électricité étant « encore » majoritairement produite dans le monde à partir des fossiles).

Ce rendement (moyen) de 75% de la voiture électrique sur autoroute se détériore rapidement si la vitesse dépasse la limite conseillée par le constructeur ( généralement 120 km/h ).

Mais ce rendement peut être encore amélioré; il est le résultat d'un compromis entre les performances et la rentabilité sur un marché fortement concurrentiel.

Les prochaines années seront donc marquées par une forte évolutivité de la technologie, avec deux objectifs :

D'une part atténuer, voire supprimer, les principaux handicaps de la voiture électrique qui sont l'insuffisance de l'autonomie, le temps excessif de recharge des batteries, et la détérioration des caractéristiques à haute vitesse.

D'autre part réduire les coûts et promouvoir la compatibilité avec la recharge rapide @ 350 kW, seule capable de faire sauter les verrous de l'accès aux trajets longues distances sur autoroutes .

Pour cela il faudra travailler sur tous les aspects du véhicule électrique et de son environnement :

La batterie : Réduction du poids et du coût, augmentation de la capacité ( Vers 150 kWh utiles ) et compatibilité avec la charge rapide 30 minutes sur bornes de 350 kW ( régime 2C ), évolution vers 800 V et amélioration de la tenue à basse et haute température.

Le convertisseur onduleur triphasé : Migration vers l'utilisation des composants SiC pour améliorer nettement le rendement et la tenue en température.

Les moteurs : Réduire les pertes et améliorer les rendements à hauts régimes.

La transmission : évaluer différentes solutions sous l'aspect rendement, performances et coûts. Envisager une boîte de vitesses dans le bilan coût-performances.

e foisonnement de nouvelles idées conduit à un renouvellement rapide des gammes, peut-être générateur d'obsolescence prématurée pour des modèles relativement récents, mais indispensable à l'évolution du véhicule électrique vers des caractéristiques non restrictives.

Avec la technologie d'aujourd'hui, un véhicule électrique compatible avec l'usage autoroutier n'existe pas, sauf à accepter les contraintes d'arrêts fréquents pour recharge et de limitation de la vitesse à cause des baisses de rendements et donc d'autonomie.

Dans quelques (?) années ces contraintes seront surmontées grâce aux batteries de plus forte capacité, aux progrès de la technologie qui permettra des vitesses élevées sans grosses pertes de rendement, et à l'existence d'un réseau de bornes de charge rapide.

Dans ces améliorations, la réduction du poids et le travail sur l'aérodynamique joueront un grand rôle.

Mais ces véhicules seront, et pour longtemps encore, des véhicules haut de gamme qui pourront certes couvrir tous les usages locaux et autoroutiers, mais hors de prix pour l'usager moyen qui devra « se contenter » d'un véhicule qui ne permettra pas l'usage autoroutier « normal ».

Comment résoudre ce problème ?

Aujourd'hui la solution appliquée est celle du véhicule hybride rechargeable.

Mais l'ambiguïté du terme laisse place à des abus. Entre le véhicule nativement électrique équipé d'un petit prolongateur d'économie thermique, et le véhicule nativement thermique équipé d'une minuscule batterie permettant quelques km d'autonomie électrique, il est possible de décliner tout une gamme de moutons à cinq pattes conçus davantage en fonction du prix de vente possible que des performances réellement utiles.

Cette pseudo solution pourra néanmoins être utile quelques années*, mais sans constituer une solution pérenne puisque les moteurs thermiques, petits ou grands, seront interdits à la vente en 2040 (ou 2035?).

*Sauf si les pouvoirs publics y mettent rapidement un terme, sachant que la plupart de ces véhicules PHEV seront le plus souvent alimentés avec du pétrole.

La mise au ban des véhicules hybrides nous ramènerait alors au problème initial du véhicule VEB à tout faire, qui deviendrait le nouveau Graal qui donnerait à son découvreur une suprématie commerciale incontestable.

Ces problèmes de rendement ne sont donc pas secondaires, puisque le challenge de la voiture à tout faire passe par la recherche de rendements suffisamment élevés pour offrir à la fois l'autonomie, la vitesse, et les possibilités de recharge compatibles avec l'usage autoroutier.

De plus, un rendement élevé réduit les pertes de chaleur et donc permet un meilleur compromis coût-performances.

Si l'aboutissement du VEB vers une solution « tout-terrain » pleinement satisfaisante tarde trop, il n'est pas impossible que la solution à Hydrogène et pile à combustible prenne la relève sous forme d'une part de marché importante grâce à son avantage sur le terrain de l'autonomie et du temps de recharge, qui sont les deux gros points faibles du véhicules électrique à batterie.

Tout dépendra de la réussite, ou de l'échec, de la filière Hydrogène.

A voir avec Madame Irma...