L électromobilité. est en marche!

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1 Info L électromobilité est en marche! Octobre 2012 s.a. D Ieteren nv Maliestraat 50, Rue du Mail Brussel 1050 Bruxelles Research & Marketing Logistics Creation & Copywriting

2 Table des matières Introduction 3 1. Historique L histoire de l électromobilité Historique de l électromobilité chez Volkswagen 6 2. Électromobilité L électromobilité : un domaine complexe Avantages et désavantages de l électromobilité Production de courant et bilan écologique Concepts de base de l électromobilité Entraînement hybride La voiture électrique Moteur électrique Accumulateur La batterie à haute tension Types de batteries rechargeables Accumulateurs du futur Interface de recharge Privée / Publique Connecteurs et modes de charge Standardisation Concepts de véhicules Hybrides intégraux (HEV) Touareg Hybrid Jetta Hybrid Hybrides «plug-in» (PHEV) Golf Variant twïndrive Véhicules électriques à pile à combustible (FCBEV) Tiguan HyMotion Véhicules électriques à batterie (BEV) e-up! Golf Blue-e-Motion 28 2

3 Des volts à la place du pétrole En quête de solutions innovantes en termes d entraînement Dans leur quête de nouveaux modes de propulsion, les constructeurs automobiles jettent de plus en plus souvent leur dévolu sur la fée électricité : les voitures électriques, les entraînements hybrides et les hybrides dits «Plug-In» gagnent du terrain. Le moteur électrique est acclamé par ses partisans comme étant la motorisation du futur. Ce que beaucoup ignorent, en revanche, c est que la voiture électrique n est pas une invention récente, mais est apparue cinq ans déjà avant la première voiture à moteur à essence. C est d ailleurs une voiture à moteur électrique construite par l ingénieur belge Camille Jenatzy, la Jamais Contente, qui franchit pour la première fois le cap des 100 km/h, en Le moteur à combustion s imposa néanmoins au cours du XX e siècle en raison du faible coût du pétrole et de son rendement énergétique élevé. La tendance s inverse aujourd hui : tandis que le pétrole devient de plus en plus rare et cher, les batteries sont toujours plus abordables et plus performantes. Ce qui, plus d un siècle après son invention, donne au moteur électrique l occasion de répondre aux besoins du grand public. Même si le nombre de voitures particulières à entraînement purement électrique est encore très limité dans notre pays (460 sur un parc d environ 5,4 millions d automobiles au total), le moteur électrique offre de nouvelles perspectives. Il doit réduire à long terme la dépendance énergétique au pétrole. Des objectifs ambitieux : d ici à 2020, la part de voitures électriques doit être de 6,1% en France, de 5,5% en Chine et de 3,5% au Japon. Source : McKinsey. Parc automobile en Belgique 1) Diesel : Essence : Propulsions dites «alternatives» : Hybride : LPG : Électrique : 460 Autre (non spécifié) : À la fin du mois de mars 2012, on recensait sur nos routes voitures, à moteur diesel pour la plupart. Les motorisations «vertes» fonctionnent majoritairement au LPG. 1) Chiffres au 31 mars 2012 ; source : FEBIAC. D après les chiffres de l Institut national de Statistique, le Belge effectue en moyenne 36,9 km par jour en voiture. L autonomie de quelque 150 km des voitures électriques actuelles devrait donc s avérer largement suffisante pour les déplacements quotidiens de l automobiliste moyen en Belgique. Source : Enquête nationale sur la mobilité des ménages (1998/1999), INS (nouvelle enquête en cours). 3

4 1. Historique 1.1 L histoire de l électromobilité L électromobilité a toujours influé fortement sur le développement des véhicules automobiles. Si ce thème a suscité moins d intérêt tant que les réserves de pétrole semblaient inépuisables, la prise de conscience du tarissement inéluctable de ces réserves et la nécessité d une meilleure protection à l échelon planétaire de l environnement et du climat lui confèrent aujourd hui une importance toujours plus grande. Voici quelques dates-clés dans l histoire de l électromobilité 1821 Thomas Davenport construit la première voiture électrique, dotée d une batterie non rechargeable qui lui procure une autonomie comprise entre 15 et 30 km Le premier véhicule électrique officiellement reconnu est un tricycle du Parisien Gustave Trouvé. Grâce à son accumulateur au plomb rechargeable, il atteint la vitesse de 12 km/h La firme de Charles Jeantaud, sise à Paris, est à la pointe dans le secteur des véhicules électriques au tournant du siècle (de 1893 à 1906). Le 18 décembre 1898, le comte de Chasseloup-Laubat établit non loin de Paris un record de vitesse au volant d une des voitures électriques de la marque. Lors d un concours de vitesse à Achères, il atteint la vitesse de 64,154 km/h avec sa Jeantaud à moteur électrique Ferdinand Porsche présente à l Exposition universelle de Paris un véhicule dont chacune des deux roues avant recèle un «moteurmoyeu» Invention de l accumulateur au plomb rechargeable 1882 Ernst Werner Siemens construit une wagonnette à moteur électrique. Connu sous le nom d «Elektro-Motte» ou d «Elektromote», ce véhicule passe pour être le premier trolleybus au monde Camille Jenatzy, un ingénieur électricien bruxellois, fils du fabricant de pneus belge Constant Jenatzy, lance un défi au comte de Chasseloup-Laubat, détenteur depuis moins d un mois du nouveau record de vitesse. La lutte entre les deux hommes, qui battent à tour de rôle le record établi par leur rival, connaît son sommet le 29 avril 1899, quand Jenatzy franchit pour la première fois le cap des 100 km/h (105,879 km/h!) à bord de la Jamais Contente, une voiture également propulsée par un moteur électrique, sur la même route d Achères Pionnier de l électromobilité en Suisse, Albert Tribelhorn dote ses premiers véhicules d un moteur électrique. Sur une période de presque vingt ans, sa société produit pour l essentiel des véhicules utilitaires à moteur électrique, les voitures particulières n étant fabriquées qu en petit nombre et restant pour la plupart à l état de prototypes. 4

5 1913 La première station-service entre en activité à Pittsburgh (États-Unis). Peu après, elles fleurissent dans chaque ville. Une infrastructure améliorée, une essence moins chère, des moteurs à combustion perfectionnés et des voitures à l autonomie accrue assurent le triomphe des véhicules à moteur thermique. La voiture électrique disparaît peu à peu du paysage Conçu dans le cadre du programme lunaire américain, le Rover lunaire dispose d un moteur électrique pour chacune de ses roues. Les quatre moteurs sont alimentés par deux batteries zinc-argent qui confèrent au véhicule une autonomie d env. 92 km La première course de voitures à énergie solaire jamais organisée dans le monde, le «Tour de Sol», a lieu en Suisse La THINK est l une des premières autos conçues en tant que voitures électriques à part entière et ne résultant pas de la conversion d une voiture traditionnelle Le groupe automobile français PSA Peugeot-Citroën produit véhicules électriques entre 1995 et Le Roadster à entraînement purement électrique de la marque Tesla Motors est commercialisé aux États-Unis. Il dispose de batteries d ordinateur portable montées en série et accélère de 0 à 100 km/h en 3,8 s Le Dr Charles A. Escoffery présente ce qui est sans doute la première voiture à énergie solaire du monde. Il s agit d une Baker Electric de 1912 immatriculée en Californie dont le toit est recouvert d un panneau photovoltaïque composé de cellules solaires individuelles La première crise pétrolière fait prendre conscience aux pays industrialisés de leur dépendance aux pays exportateurs de pétrole. Le prix des carburants flambe, relançant l intérêt pour les énergies renouvelables Première édition du «World Solar Challenge», une course de voitures propulsées à l énergie solaire Le groupe automobile allemand Volkswagen AG développe la Golf CitySTROMer, une Golf modifiée dotée d un moteur électrique General Motors lance l EV1 («Electric Vehicle 1»), un coupé 2 places à moteur électrique alimenté par des accumulateurs au plomb-acide de 500 kg. Le recours à des batteries nickel-hydrure métallique permettra d augmenter sa puissance Le gouvernement fédéral allemand approuve le Plan de Développement national de l Électromobilité (NEPE), dont l objectif est de favoriser la recherche et le développement, la promotion et la commercialisation des véhicules électriques. En 2020, le parc automobile allemand devra compter 1 million de véhicules électriques et l Allemagne, occuper la place de leader dans le secteur de l électromobilité. 5

6 1.2 Historique de l électromobilité chez Volkswagen Volkswagen possède une expérience longue de près d un demi-siècle dans le domaine de l électromobilité. En 1970 déjà, le T2 Electric inaugurait la première génération d un véhicule à entraînement purement électrique. T2 Elektrotransporter Elektro-Golf I T3 Elektrotransporter Véhicules électriques Jetta CitySTROMer Golf III CitySTROMer T2 City Taxi Golf I Hybrid Golf II Hybrid Chico Hybrid Véhicules hybrides Véhicules à pile à combustible (Tableau non exhaustif.) 6

7 Milano Taxi e-up! Golf Blue-e-Motion Golf EcoPower Golf TwinDrive Jetta Hybrid Touareg Hybrid Bora HyMotion Tiguan HyMotion Bora HyPower Touran HyMotion 7

8 2. Électromobilité 2.1 L électromobilité : un domaine complexe L électromobilité ouvre de nouvelles perspectives d avenir, et ce, pour diverses raisons. Les principaux aspects de l électromobilité sont examinés ici sous l angle de l environnement, de l économie, de la vie en société, de l infrastructure et de la technologie. Il n est cependant pas possible d aborder ces domaines séparément en raison des multiples interactions qui les caractérisent. Environnement - Changements climatiques - Réduction des émissions de CO 2 globales - Réduction de la pollution sonore - Conscientisation de l utilisation des matières premières Électromobilité Économie - Épuisement à terme des réserves de pétrole - Augmentation du prix des carburants fossiles - Désir d indépendance visà-vis des pays exportateurs de pétrole Technologie - Avantages techniques du moteur électrique sur le moteur à combustion - Augmentation du rendement - Protection contre le danger d électrocution Vie en société - Mobilité en hausse - Acceptation grandissante de l électromobilité - Demande croissante pour des véhicules caractérisés par une consommation et des émissions en baisse - Urbanisation galopante (mégalopoles) - Instauration de zones à faibles niveaux d émissions et à zéro émission Infrastructure - Couverture plus étendue de l infrastructure de recharge pour véhicules électriques (à domicile, sur le lieu de travail, le long des voies de circulation) 8

9 2.2 Avantages et désavantages de l électromobilité Avantages de l électromobilité - Un moteur électrique fonctionne nettement plus silencieusement qu un moteur à combustion et génère donc des émissions sonores très faibles. À des vitesses plus élevées, c est principalement le bruit de roulement des pneus qui domine pour ce genre de véhicules. - L utilisation d un véhicule électrique ne génère sur place aucune émission polluante ou gaz à effet de serre. Si la batterie à haute tension est rechargée avec de l électricité produite à partir de sources d énergies renouvelables, aucune émission de CO 2 n est à déplorer à la source non plus. - Si les centres urbains caractérisés par un trafic routier particulièrement dense sont déclarés «zones à zéro émission» à l avenir, ils ne seront accessibles qu aux seuls véhicules électriques. - Un moteur électrique est très robuste et nécessite peu d entretien. Il est soumis à une faible usure mécanique. - Par comparaison avec le rendement d un moteur à combustion, qui est environ de 35% pour un moteur à essence et de 40% pour un diesel, celui d un moteur électrique est élevé, puisqu il peut atteindre 96%. - Un moteur électrique possède des caractéristiques de couple et de puissance avantageuses. Son couple maximal étant disponible instantanément, une voiture électrique peut accélérer nettement plus franchement qu une voiture à moteur à combustion de même puissance. - L architecture de la chaîne cinématique est plus simple, dans la mesure où un moteur électrique n a pas besoin de composants comme une boîte de vitesses, un embrayage, un silencieux d échappement, un filtre à particules, un réservoir à carburant, un démarreur et un alternateur, voire des bougies. - À la décélération et au freinage, le moteur peut aussi faire office de générateur, le courant produit servant à recharger la batterie (récupération). - La batterie à haute tension peut aisément être rechargée soit via l installation électrique domestique, soit via la borne de recharge d un parking, soit encore via toute prise de courant disponible. En outre, on travaille actuellement à la création d une interface de recharge normalisée au niveau mondial afin d assurer une communication optimale entre les véhicules (quelle que soit leur marque) et le réseau électrique. - L énergie n est fournie que si l utilisateur en a besoin. À l inverse d un moteur à combustion classique, un moteur électrique ne tourne jamais quand le véhicule est à l arrêt, par exemple devant un feu rouge. Un moteur électrique s avère dès lors particulièrement efficace sur le plan énergétique lorsque le trafic est dense ou caractérisé par des démarrages et arrêts répétés. - Excepté pour la lubrification du réducteur à engrenages de son moteur, un véhicule électrique n a pas besoin d huile de graissage. Désavantages de l électromobilité - Les véhicules électriques possèdent une autonomie limitée. L énergie électrique doit être stockée en quantité suffisante dans une batterie à haute tension moderne, car de cette quantité dépend l autonomie du véhicule. - La recharge complète d une batterie à haute tension vide au moyen d une borne de recharge standard à la puissance réduite (comme celles qui seront disponibles à domicile) peut durer 7,5 h. - La possibilité de recharger un véhicule électrique sur la voie publique est tributaire du développement de l infrastructure de recharge, dont la densité des stations est encore trop faible. - Si le conducteur d une voiture électrique entreprend un voyage à destination d un lieu que ne lui permet pas d atteindre l autonomie maximale de son véhicule sans recharge de la batterie, il est tenu d établir son itinéraire en fonction des stations électriques présentes sur le trajet. 9

10 2.3 Production de courant et bilan écologique Une technologie propre? Tout dépend du courant! En soi, une voiture électrique n émet pas de CO 2. C est ce qui lui a valu la réputation d un moyen de transport «propre». La mesure dans laquelle un véhicule électrique est réellement respectueux de l environnement dépend en réalité de la façon dont est produit le courant nécessaire à son fonctionnement, car la quantité de dioxyde de carbone rejeté dans l atmosphère varie fortement selon le mode de production de l électricité. Émissions de CO 2 moyennes par véhicule selon les différents types de carburant/sources d énergie (en g/km) Une voiture électrique approvisionnée en mix électrique belge (une électricité provenant de différentes sources) rejette aujourd hui nettement moins de dioxyde de carbone qu un véhicule à moteur diesel. Les voitures électriques au bilan énergétique le plus favorable pour l environnement sont celles qui utilisent de l électricité provenant de sources renouvelables. Les chiffres indiqués ici concernent les émissions de CO 2 moyennes par véhicule du carburant depuis sa production jusqu à sa combustion («de la source à la roue»). Source : ADAC. Biodiesel* Essence Diesel LPG Jusqu à Gaz naturel Mix électrique Électricité provenant 122 belge de sources renouvelables * La quantité de CO 2 émis au moment de la combustion varie selon la matière première utilisée (huile de colza, de soja ou d algues) pour la production du biodiesel. Énergies renouvelables On entend par énergies renouvelables les formes d énergies qui, à court terme et selon la perception humaine, sont inépuisables et donc librement exploitables. On recense parmi elles l énergie éolienne, l énergie solaire, l énergie géothermique (forme d énergie utilisant la chaleur des profondeurs de la Terre), l énergie hydraulique et la biomasse. Une réduction supplémentaire des émissions de CO 2 moyennes à la source sera donc possible lorsque la part d énergies renouvelables dans la production d électricité globale sera revue à la hausse. Cette part, qui était de 17% en 2010 en Europe, doit passer à 48% en Le potentiel de l énergie solaire Énergie nucléaire 52% Carburants fossiles 45% Origines de la production de courant en Belgique en 2009 Sources d énergies renouvelables - Énergie hydraulique 1,8% - Énergie éolienne 1% - Énergie solaire 0,2% La quantité d énergie solaire émise par rayonnement sur la Terre correspond à environ dix mille fois l ensemble des besoins énergétiques mondiaux actuels. En conséquence de quoi, on peut affirmer que l énergie de la lumière du soleil recèle plus d énergie qu il ne sera possible d en utiliser dans le futur. Les coûts et le degré d efficacité des cellules solaires freinent cependant l exploitation de ce potentiel. Si le taux d efficacité des panneaux photovoltaïques était encore d environ 8% au début des années 1980, il est aujourd hui de 17% pour les panneaux classiques et de pratiquement 20% pour les meilleurs produits. La prééminence de l énergie solaire sur les autres sources d énergie n aura lieu que lorsque cette technologie aura été peaufinée et que les installations solaires auront gagné en efficacité. 10

11 2.4 Concepts de base de l électromobilité Le terme «électromobilité» désigne essentiellement l ensemble des véhicules mus par l énergie électrique, qu il s agisse de véhicules alimentés par une batterie électrique, de véhicules hybrides (intégraux) ou de véhicules à pile à combustible. Classification des véhicules électriques Les véhicules électriques sont classés et nommés dans un premier temps selon la manière dont leur moteur électrique est alimenté en électricité et selon la mesure dans laquelle il intervient dans la propulsion du véhicule. Moteur à combustion Véhicules à moteur essence/diesel traditionnels Entraînement hybride Entraînement électrique Essence/diesel Production de courant dans le véhicule Alimentation en courant via le réseau électrique Micro-hybrides Le composant électrique ne sert qu à la mise en œuvre de la fonction «Stop-Start». Hybrides faibles Comme les micro-hybrides, avec en plus : Le moteur électrique épaule le moteur à combustion. Mode 100% électrique non disponible. Récupération. Hybrides intégraux (HEV) Comme les hybrides faibles, avec en plus : Il est possible de rouler en mode purement électrique. Hybrides «plug-in» (PHEV) Comme les HEV, avec en plus : Dans le cas d un hybride «plug-in», la batterie à haute tension peut être rechargée également via le réseau électrique. Hybrides à extenseur d autonomie (RXBEV) Comme les BEV, avec en plus : L autonomie est augmentée par un moteur à combustion («Range Extender») qui produit du courant pour le moteur électrique. Véhicules électriques à batterie (BEV) Ils sont animés exclusivement par un moteur électrique. L énergie nécessaire à leur fonctionnement est tirée d une batterie à haute tension rechargée sur le secteur. Véhicules électriques à pile à combustible (FCBEV) Ils sont animés exclusivement par un moteur électrique. L énergie nécessaire à leur fonctionnement est tirée d une pile à combustible approvisionnée en hydrogène. Le Touareg Hybrid de 2011 est le premier véhicule de série de la marque Volkswagen à bénéficier d un entraînement hybride parallèle. Il appartient à la catégorie des hybrides intégraux. BEV : Battery Electric Vehicle ; véhicule électrique alimenté par une batterie HEV : Hybrid Electric Vehicle ; véhicule à entraînement hybride intégral FCBEV : Fuel Cell Battery Electric Vehicle ; véhicule électrique alimenté par une batterie et une pile à combustible PHEV : Plugin Hybrid Electric Vehicle ; véhicule à entraînement hybride intégral rechargeable via le réseau électrique RXBEV : Range Extender Battery Electric Vehicle ; véhicule électrique alimenté par une batterie et par un moteur à combustion qui entraîne un alternateur dont le courant permet d augmenter l autonomie («Range Extender»). 11

12 3. Entraînement hybride Deux valent mieux qu un Comparaison des types d entraînement hybride Les véhicules hybrides n ont pas un moteur, mais deux : un moteur à combustion (de faible cylindrée le plus souvent) et un moteur électrique. On distingue les voitures hybrides selon la puissance et le fonctionnement du moteur électrique, ainsi que selon le type d entraînement. Puissance des véhicules hybrides (en kw/t) Estimation des ventes de véhicules par type d entraînement (en millions d exemplaires) Voitures à moteur diesel ou essence Véhicules hybrides Voitures électriques 55,7 De 2,7 à 4 Micro-hybrides Le composant électrique (alterno-démarreur) ne sert pas à faire avancer le véhicule, mais à alimenter en électricité la batterie de démarrage et à permettre la fonction «Stop-Start». Utilisable quelle que soit l architecture du véhicule. De 6 à 14 Hybrides faibles Le moteur électrique épaule le moteur à combustion, mais n est pas capable d assurer à lui seul l entraînement du véhicule. Plus de 20 Hybrides intégraux Le moteur électrique et le moteur à combustion entraînent les roues du véhicule soit conjointement, soit séparément. 44 Source : Dietrich Naunin, «Hybrid-, Batterie- und Brennstoffzellenelektrofahrzeuge : Technik, Strukturen und Entwicklungen» (2010). 23,8 0,8 41,4 3,1 Hybride «plug-in» L hybride «plug-in» fonctionne comme un hybride intégral, mais offre aussi la possibilité de recharger la batterie du moteur électrique de manière externe, par exemple à une prise de courant. Le moteur à combustion n est employé que lorsque la batterie est déchargée. Sinon, il ne faut «faire le plein» que de courant Ces estimations reposent sur le presque quadruplement des ventes mondiales de voitures électriques entre 2015 et Source : PRTM Management Consulting. Classification des véhicules hybrides selon l architecture du système Hybride série Hybride parallèle Hybride mixte Le moteur thermique entraîne un alternateur qui soit fournit en énergie l électronique embarquée, soit recharge les batteries du moteur électrique. Il ne propulse cependant pas le véhicule, raison pour laquelle il se contente d une cylindrée modeste et d une consommation moyenne à l avenant. Les deux moteurs sont reliés entre eux par l essieu moteur et s épaulent mutuellement pendant toute la durée du trajet, mais peuvent aussi chacun individuellement animer la voiture. Les entraînements hybrides série et parallèle sont ici combinés. Le moteur à combustion peut, en fonction des besoins, servir à recharger la batterie et à alimenter le moteur électrique via l alternateur (hybride série) ou à propulser le véhicule (hybride parallèle). 12

13 4. La voiture électrique Principaux composants d une voiture électrique La chaîne cinématique complète d un véhicule électrique comprend : - Une batterie à haute tension avec module de commande pour la régulation de la batterie et chargeur ad hoc, - Un moteur électrique avec gestion électronique (électronique de puissance) et système de refroidissement, - Une transmission avec différentiel, - Un système de freinage, - Une climatisation à haute tension de l habitacle. 1. Moteur électrique 2. Transmission avec différentiel 3. Électronique de puissance 4. Câbles à haute tension 5. Batterie à haute tension 6. Boîtier électronique avec module de commande pour la régulation de la batterie 7. Système de refroidissement 8. Système de freinage 9. Compresseur de climatiseur à haute tension 10. Système de chauffage à haute tension 11. Chargeur 12. Point de charge pour une recharge externe 13. Source de charge externe 13

14 4.1 Moteur électrique L appellation «moteur électrique» désigne également un alternateur ou un démarreur. Fondamentalement, n importe quel moteur électrique peut aussi faire office de générateur. Si le moteur électrique est entraîné mécaniquement, il fonctionne comme un générateur et fournit de l énergie électrique. Si le moteur électrique est alimenté en courant, il fonctionne comme un moteur. Les moteurs électriques destinés à propulser un véhicule sont refroidis par eau. Un refroidissement par air est cependant imaginable. Dans le cas d un véhicule à entraînement hybride intégral (HEV), le moteur électrique fait également office de démarreur pour le moteur thermique. Les moteurs électriques sont souvent triphasés. Comme son nom le laisse supposer, un moteur triphasé utilise du courant alternatif triphasé. Son principe de fonctionnement repose sur trois bobines disposées en cercle autour du rotor pour former le stator et branchées chacune à l une des trois phases. Plusieurs paires d aimants permanents sont placées sur le rotor de ce moteur synchrone. Alimentées successivement de manière cyclique en courant, les trois bobines produisent chacune un flux magnétique dont la résultante est un champ électrique tournant qui entraîne la rotation du rotor. Le moteur synchrone, qui sert à transformer de l énergie électrique en énergie mécanique, fait alors office de moteur électrique. Le magnétisme en guise de force motrice : le moteur électrique Dans un moteur électrique, le mouvement naît de l attraction d aimants de polarité opposée et de la répulsion d aimants de même polarité. Si les aimants du rotor présentent une polarité permanente «nord» ou «sud», les électro-aimants du stator sont alternativement activés puis désactivés. Stator Rotor, polarité nord Rotor, polarité sud Le rotor est une pièce mobile dotée sur son pourtour d une alternance d aimants permanents à polarité différente. Le stator est formé de différentes zones, reliées entre elles, équipées de bobines. Ces bobines deviennent magnétiques quand une tension électrique leur est appliquée. Lorsque les zones du stator sont soumises les unes après les autres à un courant électrique, les aimants maintiennent constamment le rotor en mouvement. Ce dernier fonctionne alors comme le vilebrequin d un moteur thermique, ses mouvements rotatifs entraînant les roues motrices du véhicule. 14

15 4.2 Accumulateur La batterie à haute tension La batterie est le cœur de la voiture électrique. La batterie à haute tension se recharge par exemple de manière externe via une prise de courant. Pendant le processus de charge, sa tension alternative est transformée en tension continue au moyen d un transformateur CA/CC. Le transformateur maintient la tension à un niveau constant, afin d éviter que la batterie ne souffre d une surcharge. L électronique de puissance transforme pour sa part la tension continue en tension alternative et alimente le moteur électrique en trois phases via les trois câbles de raccordement (bornier UVW). Le véhicule électrique se met en mouvement. Puissance électrique La puissance électrique (P) d un accumulateur est égale à la tension électrique (U) multipliée par l intensité du courant (I). La puissance électrique est exprimée en kilowatts (kw). Quand elle est chargée via le réseau électrique domestique, une batterie à haute tension peut absorber entre 3,3 kw et environ 10 kw de puissance électrique. Une prise de courant (monophasé) ordinaire fournit à 230 V une tension (alternative) maximale de 16 A. P (monophasé) = U x I = 230 V x 16 A [1 VA ~ 1 W] = W = 3,68 kw (valeur absolue) En raison de la perte électrique observée lors du processus de charge (dissipation de puissance), la valeur absolue de puissance de 3,68 kw doit être corrigée et ramenée à 3,3 kw. Au cas où le véhicule électrique peut être alimenté en électricité via une prise de courant alternatif triphasé, la quantité de puissance électrique stockée dans la batterie à haute tension est multipliée par trois. Le temps de charge est également sensiblement plus court que lors de l alimentation en courant monophasé. P (triphasé) = 3,3 kw x 3 = 9,9 kw Capacité Batterie à haute tension La batterie à haute tension implantée à l arrière d une voiture électrique. La capacité d une batterie correspond à la quantité de courant (A) qu elle peut fournir en un temps précis (h) au bout duquel elle est déchargée. Cette capacité s exprime en ampères-heures (Ah). Une batterie dotée d une capacité de 250 Ah peut donc par exemple fournir un courant de 25 A pendant 10 h. La capacité d une batterie varie en fonction de la vitesse à laquelle elle se décharge. Plus le temps de décharge est court, plus la capacité de la batterie est faible. 15

16 Densité énergétique Cette notion exprime le rapport potentiel énergétique/poids d une batterie. Plus la densité énergétique est élevée, plus est importante la quantité d énergie qui peut être stockée pour une masse donnée, puis libérée pour fournir un travail donné. L unité de mesure de la densité énergétique massique de la batterie est le wattheure par kilogramme (Wh/kg), soit la quantité d énergie qu elle peut restituer par heure par rapport à sa masse. Il est possible d évaluer l autonomie d un véhicule électrique à partir de la densité énergétique de sa batterie. Entre l invention de l accumulateur au plomb, en 1859, et l apparition de la technologie lithium-ion, la densité énergétique des batteries a connu une augmentation de plus de 700%. Avec la deuxième génération des batteries lithium-ion, en constante évolution, elle devrait encore augmenter. Du plomb au lithium-ion : évolution de la densité énergétique des batteries (en Wh/kg) Batterie au plombacide Batterie nickel-hydrure métallique Batterie lithium-ion Batterie lithium-ion de la 2 e génération Source : Pricewaterhouse Coopers ; Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung. Durée de vie La durée de vie d une batterie est fonction de sa stabilité cyclique. Pour une batterie à haute tension, on vise une stabilité cyclique d un total de cycles de charge/décharge sur une période de 10 ans, soit 300 cycles par an. À cet égard, les batteries dites «automobiles», c est-à-dire celles destinées à être utilisées dans un véhicule électrique, ne peuvent pas être comparées avec les batteries dites «domestiques», prévues pour les ordinateurs et téléphones portables. Rendement énergétique Le rendement énergétique (ou rendement charge/décharge) d une batterie rechargeable est exprimé en pourcentage. Exprimé en termes simples, il représente la proportion de l énergie utilisée pour charger la batterie qui est réutilisable lors de la décharge de ladite batterie. Comme une petite partie de l énergie de charge est dissipée sous la forme de chaleur (perte de charge), un rendement de 100% ne peut jamais être atteint par une batterie Types de batteries rechargeables Les différents types de batteries rechargeables se classent selon la nature des matériaux utilisés pour les électrodes et l électrolyte. Les accumulateurs les plus courants sont les accumulateurs au plomb, nickel-cadmium, nickel-hydrure métallique et lithium-ion. Leurs principales caractéristiques sont présentées dans les brèves descriptions ci-dessous. 16

17 Les batteries au plomb Les batteries au plomb sont les batteries traditionnellement employées pour alimenter le réseau de bord de 12 V d un véhicule. Des plaques de plomb et de plomb/oxyde de plomb font office d électrodes, le liquide électrolytique étant une solution d acide sulfurique. Les batteries au plomb exigent un entretien régulier : de l eau distillée doit être ajoutée afin de garantir un niveau d électrolyte suffisant. Elles ne sont pas adaptées à l alimentation de voitures électriques, car elles affichent un rapport poids/volume très défavorable et alourdiraient considérablement le véhicule, en plus de limiter son habitabilité et sa charge utile. Une batterie au plomb peut perdre une grande partie de sa capacité au bout de six ans seulement et laisser échapper son électrolyte (de l acide) si elle est endommagée. Les batteries nickel-cadmium Dans ce type de batteries, les matériaux utilisés pour les électrodes sont le cadmium (Cd) et un composé de nickel. L électrolyte étant de l hydroxyde de potassium, on les appelle également «batteries alcalines». Elles possèdent une densité énergétique plus élevée que celle des batteries au plomb et sont mieux protégées contre les risques d endommagement et la fuite de l électrolyte. Les batteries nickel-cadmium (Ni-Cd) sont sensibles à l effet mémoire. Elles ne supportent que de manière marginale une décharge complète ou une surcharge. Leur rendement énergétique est de ce fait plus faible. Le cadmium et ses composés sont toxiques. Les batteries nickel-hydrure métallique On recourt pour les électrodes de ce type de batteries à un composé de nickel et à un composé d un autre métal. C est également de l hydroxyde de potassium qui est employé comme électrolyte. Ces batteries présentent une densité énergétique encore plus élevée que celle des batteries nickel-cadmium et une résistance à l endommagement relativement grande. Si ces batteries sont moins sensibles à l effet mémoire que les accumulateurs Ni-Cd, elles voient leur rendement énergétique diminuer au fil des cycles de charge/décharge. Ce phénomène de perte de rendement est réversible dans une certaine mesure. Autre avantage des batteries nickel-hydrure métallique : elles ne contiennent pas de métaux lourds (toxiques) comme le plomb ou le cadmium. L électrolyte est stocké de manière stable dans la batterie. Même lorsque le carter de la batterie est fissuré, il ne s en échappe que de rares gouttes d électrolyte. Les batteries lithium-ion Elles incarnent l une des nouvelles générations de batteries et recourent à des composés de lithium pour leurs éléments internes. Différents oxydes métalliques de lithium et du graphite sont utilisés pour les électrodes, tandis que diverses solutions de sels de lithium servent d électrolyte. Les batteries lithium-ion ne contiennent que très peu d eau et ne sont pas sensibles à l effet mémoire. Elles présentent une densité énergétique plus de deux fois supérieure à celle des batteries nickel-cadmium. Il en résulte que les batteries de ce type réclament, à performances égales, moins d espace dans un véhicule électrique, ce qui profite à l habitabilité et au volume de chargement. Le lithium (Li) est un élément chimique. Le mot «lithium» vient du grec «lithos», qui signifie «pierre», car une pierre de ce minerai a été découverte en Classé parmi les métaux alcalins, tel le sodium, en raison de son comportement chimique, le lithium est considéré comme un métal léger en raison de sa faible densité. C est, après l hydrogène et l hélium, le troisième élément chimique le plus léger. 17

18 4.2.3 Accumulateurs du futur De nouvelles technologies pour une autonomie plus grande Les performances des batteries ont beau avoir augmenté de manière permanente, cela ne suffit pas pour faire du moteur électrique un rival sérieux du moteur à combustion : les temps de charge sont trop longs, l autonomie et la durée de vie, trop courtes, et les coûts, trop élevés. Les choses devraient cependant changer : actuellement, les chercheurs travaillent d arrache-pied à la mise au point de nouvelles batteries. Les batteries lithium-soufre Densité énergétique de nouvelles batteries (par comparaison avec la batterie lithium-ion) Les batteries lithium-soufre se caractérisent par une densité énergétique qui est entre trois et cinq fois plus élevée que celle des accumulateurs lithium-ion. En outre, elles sont moins sensibles aux variations de température. Elles ne peuvent cependant, à l heure actuelle, être rechargées qu une centaine de fois à peine. Les experts estiment qu elles feront leur apparition dans des produits de consommation vers Les batteries lithium-polymère 500% 300% Lithium-soufre Lithium-ion Les batteries lithium-polymère ne renferment aucune substance liquide comme de l acide et sont pour cette raison adaptables à toute forme possible et imaginable, ce qui constitue un avantage indéniable dans le secteur de la construction automobile. Elles pêchent par une conductibilité médiocre et par des performances insuffisantes par temps froid. Les batteries lithium-polymère devraient être prêtes à la commercialisation entre 2020 et Leur densité énergétique et leur durée de vie devraient d ici là faire jeu égal avec celles des batteries lithium-ion. 100% Lithium-polymère 1.000% 500% Les batteries lithium-air La densité énergétique des batteries lithiumair est entre cinq et dix fois plus élevée que celle des accumulateurs lithium-ion. Jusqu à présent, ces batteries n acceptent qu un nombre très limité de cycles de charge/ décharge et ne tolèrent aucune variation de température. Leur commercialisation pourrait prendre de dix à vingt ans. Lithium-air Les batteries lithium-air renferment un potentiel particulièrement grand : au moment de leur commercialisation, elles devraient être jusqu à dix fois plus performantes que les batteries lithium-ion. Sources : Fraunhofer-Institut für Systemund Innovationsforschung ISI ; Fraunhofer- Institut für Chemische Technologie ICT ; Batterieforschungszentrum MEET. 18

19 4.3 Interface de recharge Privée / Publique «Prise» d énergie Il ne sera possible d utiliser commodément une voiture électrique pour ses déplacements quotidiens que quand un vaste réseau de bornes de recharge aura fait son apparition. Avant de réfléchir à l aménagement de l infrastructure routière, il importe cependant de se demander comment le courant atterrit dans la voiture. Jusqu à présent, il existe différents concepts qui permettent de se faire une idée de ce à quoi devraient ressembler les bornes de recharge du futur et d imaginer quel système de charge devrait finalement s imposer. Pour plus d informations à ce sujet, prière de vous reporter au chapitre «4.3.3 Standardisation». Branchements privés C est ici le garage du particulier qui fait office de borne de recharge : la voiture électrique est branchée sur le secteur et est rechargée comme un lecteur MP3. Accessibilité : tout le monde dispose chez soi d une prise de courant. Durée de charge élevée : il faut environ entre six et huit heures pour recharger la batterie via une prise de courant normale de 230 V. Une alimentation en courant triphasé de 380 V permet de réduire significativement le temps de charge. En raison du temps de charge élevé, il est conseillé de recharger une voiture électrique chez soi la nuit ou sur son lieu de travail le jour, c est-à-dire lorsqu elle n est pas utilisée pendant un long moment. Bornes de recharge publiques Les stations-service, les restaurants et les centres commerciaux installent toujours plus de bornes de recharge auxquelles l utilisateur d un véhicule électrique peut s avitailler en courant. Il ne s agit pas, cependant, de bornes de recharge rapides. Les stations de charge publiques en Belgique ont une capacité maximale de 11 kwh, si bien que la recharge d une batterie de 26 kw dure encore deux heures et demie environ. En outre, la capacité de charge est également limitée par le chargeur interne du véhicule, afin d éviter une surcharge de la batterie. Plus le réseau de points de charge sera étendu, plus les chances de succès seront élevées, en raison de la facilité d utilisation de la voiture électrique. Absence de norme standard pour l interface de recharge : en raison de la grande diversité de prises et fiches existantes, une incompatibilité existe entre certains véhicules électriques et bornes de recharge. L introduction d une norme standard pour l interface de recharge des véhicules électriques (à l instar du Combined Charging System voir le chapitre «4.3.3 Standardisation») devrait résoudre ce problème. En Allemagne, on compte actuellement plus de 900 stations de charge, et ce nombre ne fait qu augmenter. La moitié environ de ces stations de charge sont exploitées par les grands fournisseurs d électricité du pays, un quart d entre elles étant la propriété de restaurants ou d autres entreprises. Le quart restant est aux mains de personnes privées. Aujourd hui, la Belgique dispose de quelque 185 bornes de recharge accessibles au public*. * Source : ASBE, la section belge du réseau européen European Association for Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicles (AVERE), 19

20 Stations d échange de batteries Dans une station d échange de batteries, la voiture roule sur une plateforme où la batterie déchargée est automatiquement enlevée par le dessous et remplacée par une batterie chargée. Temps d attente dérisoire : l échange de batteries ne dure qu une minute environ. Coût élevé : tant que les véhicules électriques recourent à différents types de batteries, chaque station d échange doit avoir en stock tous les modèles de batteries couramment utilisés. Un système coûteux. Il n existe pas encore de station d échange de batteries pour véhicules électriques. Jusqu à présent, ce concept n a fait l objet de tests que dans le cadre de la mise en circulation à Tokyo d une flotte de taxis qui recourait principalement à l échange de batteries comme «possibilité de charge». Une expérimentation similaire est prévue en Californie. Un réseau de stations d échange de batteries pour vélos électriques existe déjà dans le canton des Grisons (en Suisse), notamment. On peut y échanger une batterie vide contre une batterie chargée afin de bénéficier d une autonomie plus élevée. Source : Better Place Connecteurs et modes de charge 1) Il règne une grande confusion sur les points de charge en raison des différences de puissance, de méthode de charge et de technologie utilisée qui les caractérisent. Le «type» d un point de charge indique quelle sorte de prise est utilisée. «Type 1» Le «type 1» désigne la prise Yazaki. Aux États-Unis et au Japon, cette prise «SAE J1772» semble devenir la prise standard pour la charge de batteries via le réseau domestique. Elle permet de charger en «mode 2» et en «mode 3» (voir p. 22), mais est difficilement utilisable en Europe, puisqu elle est a été conçue pour le réseau électrique de 110 V. «Type 2» En Europe, c est la prise «VDE-AR-E » (appelée communément «prise MENNEKES») qui paraît s imposer pour un usage domestique. La prise MENNEKES est un peu plus performante que la SAE J1772 : il s agit d une prise d alimentation triphasée dotée d une puissance de charge jusqu à 44 kw (400 V/64 A). «Type 3» Un troisième type de prise est représenté par la prise Scame, de l initiative EV Plug Alliance. Pour le moment, elle est principalement utilisée en France et en Italie. Cette prise aussi permet de recharger une batterie à partir d une alimentation en courant alternatif triphasé. 1) Source : 20

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