Overblog
Editer l'article Suivre ce blog Administration + Créer mon blog
28 août 2023 1 28 /08 /août /2023 09:52

 

 

28 Août 2023

La voiture électrique à batterie ( VEB ) est durement empêtrée dans son problème d'autonomie liée à la technologie de batteries Lithium-ion dont la capacité spécifique, encore insuffisante, limite la quantité d'énergie embarquée afin de conserver un poids total et surtout un coût raisonnables.

Il a été relativement facile de développer des modèles convenant aux deux extrémités de la gamme :

Les petites citadines, qui peuvent se satisfaire d'une autonomie inférieure à 150 km, avec une batterie de 20 kWh, rechargeable au domicile ou sur les bornes publiques de 10 ou 20 kW.

Et les grosses berlines de haut de gamme, dont le niveau de prix accepté permet d'utiliser une batterie de 100 kWh, voire plus, pour disposer d'une autonomie et de performances comme attendues par cette clientèle aisée.

Le problème est pour le milieu de gamme, qui correspond à un budget serré, mais dont la clientèle souhaite une certaine polyvalence, en particulier une autonomie d'au moins à 5 ou 600 km.

( En gros, les commodités d'emploi d'une voiture thermique des années 80...)

Les véhicules électriques actuels de milieu de gamme sont proposés avec des batteries de 50 kWh ( Valeur nominale ). Ces batteries sont généralement spécifiées pour une utilisation dans les limites de 5% et 95% de la capacité nominale.

La capacité énergétique utilisable conseillée entre deux recharges est donc de +/- 45 kWh.

Pour une consommation moyenne de 15 kWh, la voiture peut donc parcourir environ 300 km.

( Sachant que cette valeur dépend fortement des conditions d'utilisation ; en ville, avec récupération d'énergie au freinage, l'autonomie pourra monter à 350 km, mais sur autoroute à 130 km/h elle pourra chuter à 180 km voire moins ; De plus, cette autonomie « catalogue » sera fortement réduite si l'on utilise la climatisation, et bien sûr en cas de vent contraire et/ou si la route est pentue.

La consommation retenue ici est une moyenne de l'ensemble des véhicules similaires du marché. La fourchette peut aller de 13 à 17 kWh/100 km selon le gabarit du véhicule, son rendement énergétique, son poids, ses caractéristiques aérodynamiques, son niveau de prix et bien sûr les conditions d'utilisation ).

Cette autonomie, à la fois faible et fantaisiste, n'est pas satisfaisante et peut constituer ( c'est un euphémisme ) un frein au développement du marché du véhicule électrique à batterie, dans ce secteur de marché, surtout aux niveaux de prix affichés aujourd'hui !.

( Et il n'est pas sûr qu'une réglementation draconienne genre ZFE suffise à convaincre les usagers d'acquérir un véhicule qui leur imposera des restrictions d'usage...).

La voiture électrique VEB doit donc évoluer impérativement dans deux directions :

D'une part augmenter son autonomie.

D'autre part réduire son coût.

Ces impératifs sont évidemment la préoccupation principale des constructeurs, en plus des autres problèmes comme la maîtrise de la fabrication des batteries et des semi-conducteurs critiques, du choix des produits de base et de leur approvisionnement.

L'accroissement de la capacité de batterie n'est pas le seul facteur d'augmentation de l'autonomie.

Deux autres facteurs sont au moins aussi importants :

- Le rendement de la chaîne de traction depuis la batterie jusqu'aux roues.

- L'ensemble des résistances à l'avancement.

On évoque souvent des rendements impressionnants, supérieurs à 97%, pour la motorisation électrique, ce qui donnent à croire que tout est parfait, et qu'aucune amélioration n'est possible.

Mais ces chiffres flatteurs ne concernent que le moteur seul, et dans les meilleures conditions de régime et de couple.

Pour transmettre l'énergie électrique aux roues de la voiture, plusieurs organes interviennent  avec chacun leur propre rendement :

La batterie, l'onduleur de traction, le moteur, le réducteur, la transmission, les pompes de refroidissement du moteur, de la batterie, et de l'onduleur, la commande des accessoires électriques, la climatisation, la direction électrique, l'éclairage, participent à la consommation d'énergie et ramènent le rendement global à une valeur plus proche de 75% que des 97% cités ici et là.

( Certaines évaluations sont même plus sévères, notamment celles du DOE ( US Départment Of Energy), elles tiennent compte des pertes du réseau électrique de transport, des pertes des stations de charge, et des pertes du système de production de l'électricité. Nous n'avons tenu compte ici que des pertes liées à la voiture et à sa technologie. Les autres pertes, sur lesquelles les constructeurs d'automobiles n'ont aucune prise, sortent du cadre du présent article, mais demeurent cependant importantes pour l'analyse des moyens de production de l'énergie électrique dans le cadre de la transition énergétique ).

Tous ces postes de dépense énergétique sont l'objet d'un travail acharné des bureaux d'études pour améliorer les rendements de chaque maillon.

D'autre part, un meilleur rendement signifie une moindre dissipation de chaleur, donc une possibilité de réduire la taille des éléments dissipatifs, et donc les poids et les coûts.

Tous les secteurs de la chaîne de motorisation sont donc concernés par cette course à l'amélioration des rendements en vue d'une meilleure utilisation de l'énergie disponible :

Les batteries évidemment, pour améliorer leur comportement en fonction de la température, l'équilibrage des cellules, leur climatisation, leur interface avec le BMS, la gestion de l'équilibrage entre les éléments, la gestion de la charge et de la décharge, la détection des anomalies, la neutralisation des cellules douteuses, la mise à jour des SOH des cellules, etc.

Et bien entendu la chimie des cellules, dont le choix est essentiel pour optimiser les performances et les coûts. La prochaine « révolution » promise étant la batterie à l'état solide, sorte de saint Graal supposé résoudre de nombreux problèmes ( Il y a donc bien des problèmes...).

Les possibilités de recharge rapide sont également à améliorer pour accéder au réseau de bornes de plus de 100 kW, l'objectif étant la recharge de 20 à 80 % en moins de 10 minutes.

( Aujourd'hui, dans le moyen de gamme, une batterie de 50 kW est spécifiée pour une charge « rapide » en régime 2C, donc 100 kW max, soit environ 20 minutes pour une charge de 20% à 80% sur une borne capable de fournir les 100 kW* ).

*Avant de délivrer les 100 kW réclamés par le client, une borne bien élevée va vérifier l'état de la batterie : Sa conformité à la spécification de charge rapide demandée ( 1C, 2C, ou 3C...), son niveau de charge ( SoC), son état de santé (SoH), son aptitude à recevoir dignement les 100 kW ( 280 Ampères en 360 V ), sa température, et toute autre information communiquée par le BMS ( Batterie Management System ).

Les évolutions envisagées au niveau de la réserve d'énergie comprennent la mise en conformité avec la norme qui prévoit l'intégration possible de la batterie dans le réseau domestique, ainsi que la compatibilité avec la recharge à induction, et la gestion d'une recharge à partir de panneaux solaires sur le toit.

L'onduleur de traction (couplé avec la fonction de chargeur embarqué), qui est le cerveau de la voiture et sans lequel le moteur électrique ne serait qu'un morceau de fer. L'un des progrès futurs les plus importants réside dans le remplacement des commutateurs IGBT par des composants au carbure de Silicium, qui admettent des tensions et des températures plus élevées avec des pertes de commutation plus faibles, et des fréquences de commutation plus élevées.

Cette mutation, déjà mise en œuvre dans certains modèles haut de gamme, offre deux avantages décisifs :

D'une part la migration vers le 800V , qui permet de réduire les courants et de monter en puissance.

D'autre part, la réduction du besoin en dispositifs de refroidissement, et donc la réduction des coûts.

( Le prix actuel des composants SiC est encore un obstacle à leur généralisation, mais les choses évoluent rapidement, le 800V étant incontournable pour les véhicules de transport lourd afin d'acheminer de grosses puissances de charge sans utiliser des courants trop importants.

Des courants supérieurs à 500 A nécessitent des câbles de raccordement spéciaux éventuellement refroidis … Le 800V permet de s'en dispenser ).

La transmission mécanique est également objet de recherches de compromis pour résoudre le problème actuel d'incompatibilité entre le couple nécessaire au démarrage et le rendement non moins nécessaire aux vitesse autoroutières. Les solutions actuelles à un seul rapport ne sont pas satisfaisantes car les hautes vitesses conduisent à des régimes de rotation très élevés, et des coûts très importants.

( Tout le monde ne peut pas se payer des moteurs dont le régime max est de 18 000 tr/mn,, voir Tesla. Ces régimes sont nécessaires pour afficher des vitesses max de 250 km/h, commercialement indispensables pour vendre du haut de gamme ( ! ).

Nous sommes évidemment très loin du moyen de gamme, mais le 130 km/h sur autoroute demeure un objectif souhaitable pour égaler le thermique dans cette gamme de produits. Aujourd'hui le VEB à 130 km/h est plutôt en difficulté*...

On reparle ici et là de boîte de vitesses à deux rapports....

*Dans le protocole WLTP, la zone à vitesse élevée ( 120-130 km/h ) n'est « titillée » que durant un temps ridiculement court ( 60 secondes sur 1 800 secondes ), ce qui revient à ne pas tenir compte de l'usage autoroutier, donc à masquer la faiblesse des VEB dans ce domaine...).

La climatisation est un poste très important de dépense d'énergie lorsqu'il est traité par le moyen habituels ( effet Joule ). Son remplacement par une pompe à chaleur, et une meilleure isolation thermique de l'habitacle, sont aujourd'hui nécessaires, le problème est de combattre le surcoût.

N'oublions pas que la batterie doit également être climatisée pour garder sa température dans les limites de sécurité.

( Les batteries actuelles ne sont à l'aise qu'entre +15C et + 60 °C. En dehors de cette gamme les caractéristiques sont dégradées et la durée de vie ( Cyclage ) est affectée ).

Les possibilités de traction d'une remorque, en général très modestes ( voire nulles) sur une voiture électrique actuelle de gamme moyenne, doivent être notablement améliorées sous peine de restreindre le panel des applications possibles. Ici aussi on reparle de boîte à deux rapports.

( A la campagne, mais pas seulement, la possibilité de tracter une remorque va de soi, personne n'imaginerait acquérir une voiture incapable de tirer une remorque « classique » de 750 kg, l'électrique ne peut être alors qu'une seconde voiture...).

Avec ces travaux sur les rendements de la chaîne de motorisation sont menés des travaux sur la résistance à l'avancement : maître couple, coefficient de pénétration dans l'air, contact des pneumatiques avec le sol, poids du véhicule, influence des revêtement de carrosserie, des accessoires extérieurs, profilage des bas de caisse, des roues, des logements de roues, etc...

L'objectif de ces travaux étant de réduire encore le besoin énergétique, pour arriver à des consommations énergétiques de 10 à 20% inférieures aux valeurs actuelles.

Ces gains, associés à une augmentation « raisonnable » de la capacité de batterie ( + 20% ? ) permettraient de porter l'autonomie à 500 km.

Aujourd'hui les 700 km d'autonomie ne sont « possibles » qu'avec des batteries de 100 kWh utiles, encore trop coûteuses pour le moyen de gamme.

La voiture électrique de milieu de gamme est encore aujourd'hui tiraillée entre la nécessité de tenir les coûts pour ne pas faire fuir les clients, tout en offrant des possibilités d'utilisation acceptables par rapport aux standards auxquels les clients sont habitués depuis plus d'un demi siècle.

C'est un peu la quadrature du cercle, une gymnastique qui justifie l'agitation fébrile dont le résultat est la multitude de nouveaux modèles offerts dans les vitrines, avec des arguments à la limite de la bonne foi.

Il nous reste à espérer que la prochaine décennie nous apportera un peu plus de visibilité sur la mobilité du futur, en particulier sur la crédibilité des différentes propositions pour la motorisation :

Electrique VEB, Hybrides PHEV, Hydrogène et pile à combustible, Thermique à Bio carburant ou biogaz, et/ou carburant de synthèse, etc ?

Un VEB acheté aujourd'hui est logiquement suspecté de voir sa cote diminuer rapidement sur le marché de l'occasion. Dépassé par les perfectionnements constants de la technologie, et plombé par la vétusté d'une batterie dont le SoH sera nécessairement affecté par le cyclage, l'objet aura du mal à trouver preneur face aux propositions de véhicule neuf en LDD ou LOA pour un modèle « up to date ».

Mais l'effet contraire peut également se produire si la décision de Bruxelles d'interdire la vente des véhicules thermiques à carburants fossiles est appliquée : La demande de voitures électriques d'occasion peut alors exploser et faire grimper leur cote...

Le modèle commercial de la transition du pétrole à l'électrique pour la mobilité nous réserve décidément quelques surprises...

Partager cet article
Repost0

commentaires