La voiture électrique

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1 La voiture électrique par Michel KANT Professeur à l Université de Technologie de Compiègne 1. Généralités... D État de développement Architecture de motorisation Éléments de la voiture tout électrique Différentes chaînes de traction Conception générale Moteur à commutation mécanique (MCM) Moteur à commutation électronique passive (MCEP) Moteur à commutation électronique active (MCEA) Machine à réluctance variable Transmission mécanique Batteries de traction automobile. Éléments de stockage rapide Batteries conventionnelles Stockage rapide Gestion intelligente des batteries Systèmes d auxiliaires Instrumentation. Aide à la conduite Climatisation Problèmes d infrastructure Modes de charge Gestion de l énergie électrique Perspectives Analyse des limitations techniques Problèmes économiques. Coût d achat Avantages Dimensionnement général de la motorisation Problèmes de sécurité Pour en savoir plus... Doc. D J usqu à un passé proche, le développement du véhicule électrique a été rythmé par les crises pétrolières ; depuis peu, ce sont la recherche d une meilleure qualité de vie et le respect de l environnement qui constituent les facteurs essentiels de l intérêt que suscite ce mode de transport. Le véhicule, ou voiture, électrique apparaît donc comme une nouvelle façon de vivre en ville et en banlieue proche, avec moins de bruit, moins de gaz d échappement, une conduite plus calme, qui rend attentif aux piétons, et très sûrement comme un véhicule en «libre-service», que l on partage avec les autres. L industrie du véhicule électrique se situe au carrefour de nombreuses technologies, dont certaines sont déjà anciennes ; elle concerne, en particulier, les moteurs électriques, leur alimentation et leur contrôle électronique, le secteur des batteries et leur recharge, les matériaux, le design, l aérodynamisme et, enfin, la production et la distribution d énergie. L annexe technique [D 5 561] est destinée aux spécialistes pour mettre en évidence les problèmes spécifiques que pose la conception de la motorisation de ce moyen de locomotion. Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique D

2 LA VOITURE ÉLECTRIQUE 1. Généralités 1.1 État de développement Le tableau 1 présente les performances de la voiture électrique, munie des batteries au plomb, que l on peut atteindre aujourd hui. La colonne voiture existante correspond à une voiture moyenne commercialisée en Europe et la colonne voiture possible reflète les mesures effectuées sur un prototype d essai, réalisé à la fin de l année 1993, par la Division électromécanique de l Université de Technologie de Compiègne et la Société Valeo Équipements Électriques (figure 1). Sauf un progrès spectaculaire des batteries et une baisse significative de leur prix, les performances de la voiture électrique se situeront, dans les prochaines années, quelque part entre la voiture existante et la voiture possible. On s oriente donc, tout au moins en Europe, vers un véhicule particulier ou utilitaire léger, assurant environ 100 km d autonomie en régime urbain. Pour une fois, les possibilités techniques et la pression sociologique se conjuguent pour améliorer la qualité de vie dans les grandes villes et pour faciliter la circulation en diminuant la taille (longueur largeur) des véhicules. Ce n est qu à plus long terme que seront pris en compte les transports à longue distance. Le véhicule électrique interurbain sera probablement hybride, associant un groupe électrogène (moteur thermique à haut rendement et génératrice électrique), fonctionnant à puissance constante, et un système de batteries-tampons avec une chaîne de traction électrique à commutation électronique active ( 2.4). Les batteries, équipées d un système de gestion intelligente, assureront l équilibre énergétique sur la route (absorption de l énergie de freinage) et l alimentation du moteur, lorsque la voiture fonctionnera en ville en mode purement électrique. La voiture hybride sera aussi bien adaptée au transport des marchandises que des passagers. À un stade ultime, on peut envisager une voiture routière tout électrique, alimentée par des piles à combustible. Dans l immédiat, l effort de recherche doit porter sur l augmentation du rapport du poids utile au poids des batteries du véhicule. Pour une autonomie donnée, cela ne peut s obtenir qu en améliorant le rendement de la chaîne de traction, aussi bien en fonctionnement moteur qu en phase de récupération de l énergie au freinage. Pour cela, l électrotechnique et l électronique de puissance et de commande jouent un rôle considérable. On doit garder en esprit qu une chaîne de traction performante permet de gagner davantage de poids sur la batterie que sur le moteur lui-même. En conclusion, la conjugaison de forces écologiques, législatives et, en fin de compte, économiques, fait que l ère de la voiture électrique urbaine est pratiquement arrivée ; on peut prédire, avec beaucoup de certitude, que la voiture électrique interurbaine va suivre dans peu de temps, très probablement sous la forme d une motorisation hybride. 1.2 Architecture de motorisation On envisage actuellement deux types de voitures électriques : la voiture à motorisation purement électrique : voiture tout électrique ; la voiture à motorisation mixte électrique et thermique : voiture hybride. (0) La première de ces réalisations est destinée à la circulation urbaine ou/et suburbaine. La deuxième, moins avancée actuel- Historique L idée d utiliser l énergie électrique pour mouvoir des véhicules n est pas nouvelle : les premières voitures sans chevaux ont été propulsées en grande partie par des moteurs électriques. Ainsi, à la fin du XIX e siècle, on compte une centaine de prototypes plus ou moins rudimentaires, alimentés par des accumulateurs, qui parcourent les autodromes d Europe et des États-Unis. Malgré la simplicité et la fiabilité de sa motorisation (il s agissait, dans la plupart des cas, d une machine série à collecteur mécanique, à régulation par rhéostat), la voiture électrique VE devait céder rapidement le pas à la voiture à moteur thermique. En effet, la densité d énergie contenue dans le pétrole (environ Wh/kg) était 300 fois plus élevée que la densité d énergie des meilleurs accumulateurs de l époque. Par ailleurs, le temps de recharge des batteries s avérait très grand devant le temps de remplissage d un réservoir d essence. Ni les progrès des accumulateurs, ni les nouvelles techniques de recharge rapide n ont résolu le problème que pose la densité d énergie électrique embarquée et son restockage à partir du réseau électrique. Ainsi, sauf pour des applications marginales comme la collecte des ordures, le transport des marchandises à l intérieur des aéroports et des complexes touristiques et industriels, la motorisation des voitures d aujourd hui reste entièrement thermique. L intérêt que suscite actuellement la propulsion électrique est lié à des facteurs, qui, secondaires non seulement au début de ce siècle, mais aussi il y a encore une trentaine d années, deviennent aujourd hui primordiaux, à savoir la pollution atmosphérique locale, due en grande partie au trafic automobile, la pollution au sol, surtout dans les agglomérations, due au suintement des déchets de combustion, le bruit, le mode de production et de distribution de l énergie électrique. C est donc la recherche d une meilleure qualité de la vie et d une meilleure utilisation de l énergie électrique qui a fait de la voiture électrique un élément incontournable du transport de demain. La VE se recharge surtout la nuit, et, en France, l énergie électrique d origine nucléaire et hydraulique est particulièrement abondante et exploitée dans la plupart des pays d Europe. Si les études sur la voiture électrique ont fluctué au rythme des crises pétrolières et des accidents écologiques, c est probablement la législation californienne (California Clean Air Act [2], publiée vers 1988) qui a relancé durablement les recherches sur la VE. Cette législation, en imposant une quotepart de véhicules non polluants ZEV (Zero Emission Vehicle ), devant être immatriculés à partir de 1988, vise à interdire, à plus long terme, la circulation des véhicules thermiques dans les grands centres urbains. L initiative de la Californie a été suivie presque immédiatement par le Massachusets et New York. La réponse des pays constructeurs d automobiles ne se fait pas attendre : ainsi, le Japon, en regroupant plusieurs organismes chapeautés par le MITI (Ministry of International Trade and Industry ) a conçu, en 1992, l Electric Vehicle Popularisation Plan, et la CEE (Communauté Économique Européenne) a réactivé l AVERE (Association Européenne des Véhicules Électriques Routiers). En ce qui concerne la France, elle est à l origine du CITELEC (groupement des villes européennes intéressées par la voiture électrique) et possède son propre organisme de coordination, le GIVE (Groupe Interministériel pour le Véhicule Électrique). Si, malgré l opposition de certains constructeurs d automobiles (surtout américains), le plan californien se réalise, il y aura, vers l an 2000, voitures électriques sur les routes des États- Unis, au Japon et à en Europe [Doc. D 5 562]. Nota : les performances atteintes étaient déjà importantes ; la Jamais Contente devait dépasser 105 km/ h vers 1899 à l Électromobile, munie d une remorque de batteries, disposait, en 1903, d une autonomie de 375 km [1]. Actuellement (début 1995), le record de vitesse de la voiture électrique appartient à Oscar de Vita qui, sur le prototype ZER (Zero Emission Record ) dessiné par Bertone, a atteint 303,977 km/h, tandis que la distance maximale parcourue à 60 km/h de moyenne est de 540 km pour un «concept car», de Fischer Electric Motor Technology, munie d une remorque spécifique (Range Alternator Trailer ) de 175 kg. D Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique

3 LA VOITURE ÉLECTRIQUE Figure 1 Voiture électrique d essai de motorisation électrique, constituée à partir d une plateforme de voiture thermique 306 de Peugeot et d une carrosserie de la voiture électrique Volta Figure 2 Motorisation tout électrique Tableau 1 Performances de la voiture électrique (VE), fin 1994 (d après [3]) Paramètre Voiture existante Voiture possible Poids total...(kg) 700 à à 750 Autonomie commerciale... (km) Vitesse commerciale (1)... (km/h) Vitesse maximale... (km/h) 70 à Poids utile...(kg) 150 à à 400 Poids des batteries...(kg) 300 à à 300 Nombre de places coffre ou coffre Puissance du moteur... (kw) 10 à à 35 Consommation...(kWh/100 km) 12 à 14 8 à 10 Chauffage... Brûleur à carburant Pompe à chaleur Transmission... Boîte de vitesses + réducteur Réducteur Chaîne de traction (2)... MCM à excitation séparée MCEA synchrone (1) vitesse commerciale : vitesse moyenne tenant compte des arrêts pour décharger les passagers et les marchandises (2) MCM = moteur à commutation mécanique ( 2.2) MCEA = moteur à collecteur électronique actif ( 2.4) lement au point de vue technologique, peut assurer la circulation urbaine et interurbaine. La voiture tout électrique est proposée sous une forme soit monomoteur, soit multimoteur. Alors que le monomoteur présente une seule chaîne de traction (figure 2a ), le multimoteur en comporte plusieurs (figure 2b ). Dans la version multimoteur, la machine électrique est parfois intégrée dans la jante, moteur roue (figure 3), ce qui permet souvent de simplifier la transmission mécanique, mais nécessite un pilotage électrique plus complexe coordonnant deux ou quatre systèmes de propulsion. La voiture hybride utilise deux sources d énergie et combine l entraînement électrique avec un moteur thermique à combustion interne ou une turbine à gaz. Généralement, ce véhicule possède une autonomie plus importante que la voiture tout électrique, tout en gardant une option de propulsion purement électrique en zones urbaines. L architecture des voitures hybrides se résume à trois variantes essentielles : structure série (figure 4) ; structure parallèle, additionnant le couple (figure 5a ) ou additionnant la vitesse (figure 5b ) ; structure combinée série-parallèle (figure 6). Nota : le présent article ne concerne que les voitures tout électrique, qui se trouvent actuellement au stade de la présérie industrielle. Notons, de plus, que la motorisation hybride actuelle, outre son coût élevé, présente un rendement global faible, car l énergie primaire subit de très nombreuses conversions (thermodynamique, mécanique, électrodynamique, électrochimique). 1.3 Éléments de la voiture tout électrique Le développement prévisible de la voiture électrique passe par trois étapes. La voiture de la première génération (figure 7), dont plusieurs milliers d exemplaires circulent actuellement dans le monde, n est en réalité qu une base thermique électrifiée, c est-à-dire une voiture où le moteur électrique remplace le moteur thermique et où l emplacement du réservoir d essence et une grande partie du coffre contiennent les batteries. La voiture de la deuxième génération, dont quelques modèles sont déjà industrialisés, présente une carrosserie spécifique étudiée pour la motorisation électrique, permettant une meilleure intégration de la chaîne de traction et une optimisation de la transmission mécanique. Par ailleurs, l emplacement des batteries empiète moins sur le volume utile et permet une meilleure répartition des masses. La voiture de la troisième génération, que l on peut qualifier de future ou moderne, existe sous la forme de quelques maquettes (concept car ), présentées lors d expositions internationales à la fin de l année La figure 8 représente la morphologie idéalisée de la future VE, obtenue par recoupement de plusieurs simulations (japonaise, américaine et européenne). Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique D

4 LA VOITURE ÉLECTRIQUE La voiture électrique moderne, destinée à la circulation urbaine, peut être décomposée en quelques éléments spécifiques, à savoir : une chaîne de traction ; un système de batteries à gestion intelligente, couplé avec un système de stockage rapide (supercapacités, volants d inertie...) ; un chargeur embarqué (en option) ; des auxiliaires composés, essentiellement, d une instrumentation et d un dispositif d assistance à la conduite (freinage, direction...) ; une climatisation ; un générateur photovoltaïque, destiné à charger une batterie d instrumentation et à assurer, au moins en partie, l alimentation de la climatisation ; des pneus à faible frottement. Figure 5 Structure hybride parallèle Figure 3 Moteur roue [4] Figure 7 Exemple de parc de voitures électriques de la première génération utilisées par les collectivités ; la deuxième voiture à partir de la gauche est une Volta préfigurant les voitures de la deuxième génération. On remarque le scooter électrique promis à un développement très rapide Figure 4 Structure hybride série Figure 6 Structure hybride série-parallèle Figure 8 Morphologie idéalisée de la future voiture électrique D Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique

5 LA VOITURE ÉLECTRIQUE 2. Différentes chaînes de traction 2.1 Conception générale Une chaîne de traction se compose classiquement d un moteur électrique, de systèmes électroniques (alimentation et commande), d un système de refroidissement et d un système de liaison mécanique (boîte de vitesses, différentiel, dispositif de blocage). La figure 9 montre le synoptique d une chaîne de traction type avec les dispositifs périphériques usuels. Le choix du moteur électrique, qui définit le dimensionnement de la plupart des éléments de la chaîne, repose sur le profil du roulement, et, partant, sur les caractéristiques puissance-vitesse (figure 10a ), dont découle l espace couple-vitesse (figure 10b ). La nécessité de fonctionner dans n importe quel point de l espace couple-vitesse, en économisant au maximum l énergie embarquée, préfigure les difficultés de la conception de la motorisation électrique, qui doit assurer : un couple élevé à basse vitesse ; un couple relativement faible à vitesse élevée ; une construction à masse volumique la plus faible possible ; une stratégie de pilotage optimisant continuellement la consommation d énergie ; une possibilité de récupération d énergie au freinage. L examen des différentes solutions, qui doit guider une réalisation concrète, s appuie essentiellement sur : le nombre et la répartition des moteurs de traction (motorisation centrale à un seul moteur ou motorisation répartie à plusieurs moteurs) ; le système de transmission (réducteur ou/et boîte de vitesses) ; le mode de refroidissement (liquide, air ou mixte). Les chaînes de traction actuelles des VE reposent, en grande partie, sur quatre groupes de moteurs électriques : moteur à commutation mécanique ( 2.2) ; moteur à commutation électronique passive ( 2.3) ; moteur à commutation électronique active ( 2.4) ; moteur à réluctance ( 2.5). Pour chacun de ces moteurs, on peut prévoir la récupération d énergie : dans la conception du moteur ; dans la conception de l ensemble du moteur et de la voiture (volant d inertie, système de condensateurs). Les moteurs utilisés dans la plupart des voitures électriques présentent une structure cylindrique classique (stator extérieur, rotor intérieur), dans laquelle le champ magnétique inducteur est essentiellement radial ; néanmoins, d autres solutions sont également envisagées comme les moteurs discoïdaux [5], les moteurs à double rotor [6], les moteurs à griffes [7] ou les moteurs à enroulements concentrés, produisant un champ axial [8]. Nous ne considérerons ici que les moteurs cylindriques, dont la topologie devra cependant différer des réalisations classiques, comme le montre la figure 11, représentant un dispositif motoréducteur idéalisé, qui peut préfigurer une des versions du moteur des VE de demain. Il se caractérise par l intégration, dans le même volume : du moteur proprement dit ; de l électronique d alimentation ; d un système de refroidissement. Un tel dispositif permet : d une part, de sortir, d un volume compact, le couple mécanique adapté directement à l entraînement des roues ; d autre part, ce qui est plus important, de refroidir par le même système l électronique et le moteur. Le refroidissement envisagé est effectué par un fluide (eau ou huile) ; en effet, si le moteur électrique peut se satisfaire d un refroidissement forcé à l air, il n en va pas de même pour l électronique de puissance actuellement prévue, où la température maximale des radiateurs doit être limitée à environ 100 o C [9] ; cela implique, en convection naturelle, une impédance thermique équivalente du radiateur de l ordre de 0,05 o C/ W, impossible à obtenir avec des matériaux courants. Nota : pour un moteur de 40 kw et un rendement du convertisseur de 0,95, les pertes dans l électronique d alimentation sont de 2 kw ; l élévation de la température, entre le radiateur et la jonction de l interrupteur, qui en résulte est de 25 o C environ. Pour assurer un fonctionnement fiable du composant, la température de jonction ne doit pas dépasser 125 o C. Seul un refroidissement par liquide peut maintenir l électronique à la température désirée. Par ailleurs, le refroidissement par liquide, dont la technologie est bien maîtrisée par les constructeurs d automobiles, permet, d une part, de réaliser un groupe motopropulseur totalement fermé, assurant une protection des parties actives contre la corrosion et, d autre part, d intégrer plus facilement le fluide de refroidissement dans le système de climatisation de l habitacle. 2.2 Moteur à commutation mécanique (MCM) Rappelons que, dans ce type de moteur, l inducteur statorique crée un champ immobile dans l espace, tandis que le commutateur mécanique ondule la tension généralement continue pour alimenter le rotor (induit) en tension alternative polyphasée et engendrer ainsi un champ magnétique qui tourne dans le sens contraire de la vitesse du rotor. Comme la commutation est purement mécanique, aucune énergie réactive n apparaît à l extérieur de la machine. Figure 9 Schéma synoptique d une chaîne de traction Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique D

6 LA VOITURE ÉLECTRIQUE Figure 10 Caractéristiques maximales délivrées par la batterie d une voiture électrique Figure 11 Dispositif monobloc : chaîne de traction et réducteur (exemple idéalisé) Par ailleurs, le couple, calculé comme l interaction vectorielle des champs du rotor et du stator, est toujours maximal, car ces deux champs sont en quasi-quadrature permanente par la position des balais dans la zone neutre. Dans la traction électrique automobile, on propose pratiquement toutes les versions du moteur à collecteur mécanique, mais la solution la plus usitée est basée sur le moteur à excitation séparée, équipé de pôles de commutation et d enroulements de compensation, dont la chaîne de traction la plus simple et la plus usitée correspond à la figure 12. Cette chaîne, munie d un réducteur mécanique le plus souvent planétaire et parfois d une boîte de vitesses, possède : un hacheur d induit en bras de pont (réversible), à fréquence et durée de conduction variables ; un hacheur d inducteur (excitation) simple. L électronique de commande permet une optimisation de la consigne du courant (ou de la tension) d induit et d inducteur, en fonction de la caractéristique couple-vitesse désirée. En général, le système fonctionne à flux maximal jusqu à la vitesse nominale, puis à flux réduit. Le freinage récupératif, le plus performant, s opère par surexcitation. La chaîne de traction à collecteur mécanique est actuellement utilisée sur plusieurs réalisations commerciales, notamment en France, car il s agit d une solution éprouvée, à coût d électronique relativement faible. De plus, le moteur à excitation séparée présente exactement la même dynamique que celle des machines à tension alternative et à pilotage vectoriel optimal ( 2.4), mais avec un dispositif de commande beaucoup plus simple. Néanmoins, le désavantage bien connu de ce moteur réside dans la présence de contacts entre lames tournantes et balais immobiles, qui, outre la nécessité d un entretien périodique, sont responsables : d une vitesse du rotor relativement faible et, donc, d une puissance massique peu élevée (la vitesse périphérique du collecteur est limitée à 60 m/s environ) ; d une densité de courant limitée, se traduisant par une diminution du couple massique ; de la présence quasi obligatoire de pôles de commutation et d enroulements de compensation, qui accroissent le volume de la machine et, partant, son poids ; D Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique

7 LA VOITURE ÉLECTRIQUE Figure 12 Chaîne comportant un moteur à commutation mécanique : exemple enfin, d un couple moteur qui est limité à basse vitesse par l échauffement, phénomène que l on peut atténuer, voire complètement éviter dans les machines à collecteur électronique. Par ailleurs, la présence d un collecteur mécanique impose une certaine rigidité dans la conception de la machine, aussi bien du point de vue morphologique qu énergétique (rapport entre les paramètres de la puissance comme le couple et la vitesse ; possibilité de concevoir des structures à grand couple et faible vitesse...). Pour toutes ces raisons, la deuxième génération de voitures électriques, qui apparaît actuellement, tend à remplacer les moteurs à commutation mécanique par des moteurs à commutation électronique. Il convient de mentionner les recherches sur le collecteur mécanique assisté électroniquement [10], qui ont abouti récemment à des solutions pour véhicule électrique d un intérêt non négligeable. 2.3 Moteur à commutation électronique passive (MCEP) Généralités Dans un moteur à commutation mécanique ( 2.2), le collecteur a pour rôle principal d alimenter l enroulement fermé de l induit en rotation. Il injecte le courant dans les conducteurs qui traversent successivement la zone neutre de la machine. Il transforme ce courant injecté dans l induit en plusieurs courants alternatifs de fréquence compatible avec celle de la fém (force électromotrice) induite, puis interrompt l alimentation du conducteur, lorsque celui-ci quitte l axe neutre, pour la transférer au conducteur suivant, qui entre dans cette zone. Si l on examine le fonctionnement en frein (générateur), les courants alternatifs de l induit sont redressés pour être injectés sous la forme d un seul courant dans le réseau continu ; le collecteur, dans ce cas, joue le rôle de redresseur. Le collecteur constitue donc un interrupteur-onduleur-redresseur, asservi à la vitesse de rotation de la machine. Sa fonction peut être remplie par un système basé sur deux semiconducteurs tête-bêche, pilotés par un capteur donnant la position de l induit par rapport à l axe magnétique de l inducteur (cf. dans ce traité, articles, Commande des machines à courant continu à vitesse variable [D 3 610] et Alimentation des machines synchrones [D 3 630]). La machine à collecteur électronique (appelée également autopilotée) fonctionne selon le même principe, à la différence près que, comme il est beaucoup plus facile de commuter électroniquement les enroulements immobiles, le moteur à collecteur électronique possède l induit au stator et l inducteur au rotor (cf., dans ce traité, article Actionneurs à collecteur à aimant permanent [D 3 695]). Le schéma synoptique d un tel dispositif est donné par la figure 13. La rapidité de commutation et l environnement du pilotage désignent le transistor, ses dérivés FET (Field Effect Transistor ) et MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET ) et les IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor ) comme interrupteurs statiques des chaînes de véhicule électrique. Comme on utilise le plus souvent l inducteur à aimant permanent, le dispositif fonctionne, tout au moins pour son onde fondamentale, selon le principe synchrone ; autrement dit, sa vitesse est imposée par la fréquence des commutations. La machine à collecteur électronique, utilisée dans le véhicule électrique est construite selon deux variantes essentielles : variante à champ de répartition trapézoïdale, dite autocommutée ; variante à champ de répartition sinusoïdale, dite autosynchrone. La chaîne avec un moteur autocommuté présente presque exactement les mêmes caractéristiques que la chaîne avec le moteur à collecteur mécanique, avec excitation séparée non réglable, lorsqu il s agit d un inducteur à aimant permanent. La solution type de la chaîne autocommutée comporte un codeur discret de la position du rotor et une électronique d alimentation du type MLI (Modulation de Largeur des Impulsions ) à trois bras de pont complet. L algorithme de contrôle analogique ou numérique (microcontrôleur) délivre au moins deux consignes : consigne d autopilotage en fonction des capteurs ; consigne de couple. Figure 13 Moteur à collecteur électronique passif (moteur autopiloté) : schéma synoptique du dispositif Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique D

8 LA VOITURE ÉLECTRIQUE L excitation s effectue par un aimant permanent, le plus souvent périphérique, en SmCo ou FeNdB. Selon les réalisations : soit l aimant recouvre un arc de 180 o électriques et la fmm (force magnétomotrice) statorique est distribuée sous la forme de trois ondes trapézoïdales, décalées de 120 o électriques ; soit l aimant recouvre 120 o électriques et la fmm décalée, trapézoïdale, est distribuée sous la forme de deux ondes décalées de 180 o électriques. La première solution présente une puissance massique légèrement plus faible ; la seconde solution est moins performante à cause des pertes ohmiques dans les enroulements du stator, ne contribuant pas à la production du couple. Dans la plupart des chaînes de traction pour les véhicules électriques, on privilégie la première solution, qui implique un enroulement ouvert (en étoile) avec deux phases (voies), alimentées en série. Les prototypes avec un seul moteur (18 à 40 kw) ou plusieurs moteurs (2 à 4) sont décrits dans la littérature [4] [27] [44]. La chaîne avec un moteur autosynchrone correspond, au point de vue dynamique, à une machine synchrone classique. L aimant rotorique, recouvrant approximativement un arc de 180 o électriques, engendre ici un champ à répartition sinusoïdale dans l entrefer. Cette forme du champ peut être obtenue : soit par un aimant de forme variable le long de l épanouissement polaire (la variation d épaisseur de l aimant est approximativement sinusoïdale) ; soit par un sens particulier d aimantation ; en effet, l aimantation radiale se traduit, dans l entrefer, par un champ utile quasi sinusoïdal ; cela découle de la projection des lignes du champ sur l axe magnétique des pôles (l axe passant par le milieu d un pôle). La fmm statorique doit être répartie également d une façon sinusoïdale, soit par l arrangement des enroulements, soit par l injection de courants d amplitude variable, dans les différents points de la périphérie statorique. De ce fait, le capteur de position du rotor est du type quasi continu. Les différentes solutions techniques, décrites dans la littérature (cf., dans ce traité, article Alimentation des machines synchrones [D 3 630]), comportent un inducteur muni d aimants permanents en terre rare, et très rarement un électroaimant (cette dernière solution est réservée aux machines autosynchrones à pilotage vectoriel). L électronique de puissance est pratiquement identique à celle de la machine autocommutée, c est-à-dire basée sur trois bras de pont complet avec différents systèmes d amélioration des commutations. La commande par modulation de largeur des impulsions de courant ou de tension est bouclée généralement en courant. L algorithme de contrôle, assurant une forme d onde du courant, est élaboré à partir d une consigne du capteur, constitué le plus souvent par un résolveur. Le freinage s effectue par surexcitation. Pour résumer, la commande du bras de pont et d un convertisseur de type MLI en tension possède au moins une double consigne : consigne de couple (convertisseur de type MLI bouclé en courant) ; consigne de phase en fonction de la position du rotor et de l état des interrupteurs, pour obtenir le moins d à-coups du champ possible. Généralement, la chaîne de la VE possède des moteurs autosynchrones de plus faible puissance que la même chaîne avec des moteurs autocommutés ; souvent, il s agit de deux machines (12 à 20 kw) en position centrale ; plusieurs publications proposent quatre machines réparties [4] [27] [44]. La machine à collecteur électronique passif diffère de la machine synchrone classique par : une impossibilité de fonctionnement sans assistance électronique ; un couple plus ou moins perturbé. En effet, le réseau électrique, notamment polyphasé, se comporte comme un collecteur mécanique à commutation continue (ou, ce qui revient au même, à nombre de lames infini). 2.4 Moteur à commutation électronique active (MCEA) Généralités Dans une machine à collecteur électronique passif ( 2.3), l alimentation et le système de commande se bornent à reproduire le plus fidèlement possible le fonctionnement de la commutation mécanique ou encore la commutation issue du système polyphasé classique. Les consignes facilitent par ailleurs les fonctions de régulateurs externes du couple ou/et de la vitesse. En revanche, la commutation active intervient sur l amplitude et la position du vecteur champ magnétique résultant, et cela indépendamment de la vitesse et de la charge ; on peut ainsi conférer à la machine des caractéristiques dynamiques particulières et contrôler continuellement son régime transitoire, tout en minimisant un certain nombre de grandeurs (comme la puissance réactive) ou encore en maximisant le rendement, tant électrique que magnétique. Deux types de machines, utilisées dans les chaînes de traction des VE, possèdent actuellement un pilotage vectoriel : la machine autosynchrone, munie de pôles rotoriques saillants bobinés ; la machine asynchrone, généralement à cage. La machine autosynchrone à commutation électronique active présente la morphologie classique des machines synchrones à pôles saillants et son électronique de puissance diffère peu de celle d une machine similaire à commutation passive ( 2.3). En revanche, sa stratégie de pilotage est complètement différente. Le schéma de principe de la chaîne de la VE correspondant, représenté sur la figure 14, montre les possibilités de pilotage de 3 grandeurs indépendantes (réglage à 3 portes) (cf., dans ce traité article Alimentation des machines synchrones [D 3 630]) à savoir : la tension d alimentation (ou le courant d alimentation I*) ; l angle du couple (déphasage ψ entre la tension et la force électromotrice représentant le couple résistant) ; le flux d excitation par l intermédiaire des courants inducteurs I * ex. Les algorithmes de commande, présentés notamment dans [11], montrent l adéquation particulière de ce type de machine aux VE ; en effet, parmi les nombreuses stratégies de pilotage, on peut choisir : le fonctionnement à facteur de puissance constant, y compris égal à 1, ce qui élimine, en grande partie, la circulation de l énergie réactive ; le fonctionnement dans un espace couple-vitesse très large, sans surdimensionnement excessif de la machine ; le fonctionnement en survitesse et freinage à récupération, presque sans pertes supplémentaires. Remarquons, par ailleurs, que, le pilotage imposant la position du champ résultant, ce dernier passe, dans une machine à pôles saillants, par un entrefer variable, ce qui permet d ajouter ou de retrancher le couple de réluctance et d affiner les caractéristiques de traction. D Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique

9 LA VOITURE ÉLECTRIQUE Figure 14 Chaîne comportant une machine autosynchrone à commutation électronique active : exemple La commutation active, ou pilotage vectoriel, de la machine asynchrone est moins évidente à réaliser que le même pilotage de la machine synchrone à rotor bobiné ; en effet, dans une machine asynchrone, le flux principal est créé par le rotor et par le stator ; or, la seule grandeur directement contrôlable est la tension du stator. On ne peut plus séparer naturellement le pilotage du flux couplé (ou principal) du couple électromagnétique. L idée de séparer ces deux grandeurs revient à Kovacs [12] et sa première réalisation industrielle est due à Siemens [13]. Kovacs a proposé un modèle mathématique qui permet de distinguer la composante du courant statorique, pilotant le flux couplé, de la composante régissant le couple électromagnétique ; cette répartition du courant est à la base du pilotage, qui consiste à imposer l angle de décalage entre le «vecteur» de la fmm statorique et le flux du rotor, c est-à-dire de contrôler directement l angle du couple, comme dans la machine autosynchrone. Il y a de nombreuses variantes de pilotage vectoriel de la machine asynchrone (décrites d une façon très détaillée dans [14]), mais le plus utilisé dans la VE est celui donné par le schéma de principe de la figure 15. La commutation électronique active est basée ici sur la modélisation de la machine asynchrone, à l aide des vecteurs d espace définis dans un repère tournant à une vitesse arbitraire Ω x (cf. notamment [15]), où les courants instantanés d un système à m voies indépendantes sont représentés par un seul vecteur du type : 2 i s = [ 1 k m A ( t ) + a k B ( t ) + a 2 k C ( t )] Si k( t) correspond à la valeur instantanée des courants dans m voies (avec, le plus souvent, m = 3 comme dans un réseau triphasé) et a = exp j 2π , le vecteur peut être réparti en deux composantes i 1 et i 2 du repère orthonormé α, β (figure 15b ) synchrone avec 3 i s un flux rotorique (c est-à-dire tournant à la vitesse Ω 1r de ce flux) ; ainsi, l amplitude du flux couplé du rotor est proportionnelle à i 1 et le couple électromagnétique à i 2. Comme nous l avons déjà souligné paragraphe 2.2, il s agit d une analogie avec la machine à collecteur mécanique à excitation séparée : i 1 correspond au courant d excitation I ex et i 2 au courant d induit I ; dans ce cas, le couple électromagnétique s écrit simplement [15] : c em L µ = L r ϕ r i 2 La pulsation du glissement, qui est une pulsation relative des grandeurs rotoriques, a pour valeur : 1 Ω rg i 2 = ---- T e i 1 Figure 15 Chaîne comportant une machine asynchrone à commutation électronique active : exemple avec L r inductance du rotor, L µ inductance d aimantation, R r résistance du rotor, T e = L r /R r constante de temps électrique, ϕ r flux du rotor. Le dispositif de transformation des repères ramène les grandeurs imposées, i 1i et i 2i du repère (α, β), aux grandeurs imposées, i di, i qi du repère (d, q), de l inducteur (figure 15a ), soit : i di = i si cos (θ m + δ ) i qi = i si sin (θ m + δ ) Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique D

10 LA VOITURE ÉLECTRIQUE avec i si = 2 i 1i i 2 1/2 + 2i δ = i arctan i i 1i 1 θ m = ( Ω m + Ω rg )dt T m Dans toutes ces équations, l indice «i» désigne la grandeur imposée ; T m est la constante de temps mécanique et Ω m la vitesse angulaire mécanique du rotor. Ainsi, outre la variation du glissement, la stratégie de pilotage tient compte de la charge par l intermédiaire de l angle δ du couple, correspondant aux changements du courant i 2i ce qui assure la synchronisation du vecteur i s par rapport au flux ϕ r et partant un pilotage rapide du couple. Le régulateur de la vitesse, en comparant la valeur imposée de Ω rgi avec la vitesse du rotor Ω m, impose i 2i. Le courant d excitation est imposé indépendamment par l intermédiaire de i 1i, i 2i et Ω m. La carte de commande du système génère des signaux imposés i Ai, i Bi, i Ci. Ces signaux, introduits conjointement avec les signaux des courants mesurés i A, i B, i C, dans un comparateur (à hystérésis par exemple), génèrent des impulsions de commande du convertisseur à transistors (comme celui de la figure 14). Dans la chaîne de traction de la VE, la machine asynchrone est prévue surtout pour une grande vitesse de rotation ( à tr/min), d où la nécessité d un réducteur (de 1 à 6 à 1 à 15). Le courant du stator est capté d une façon relativement simple ; en revanche, la position du rotor, qui doit être connue avec une grande précision, fait appel à un résolveur à haute résolution. Les trois bras du pont complet comportent ici, soit des GTO (Gate Turn-Off ), soit des IGBT. Dans les versions plus évoluées, l algorithme de calcul minimise la puissance absorbée, en tenant compte de la position de la machine dans l espace évolutif couple-vitesse. La machine asynchrone, très étudiée pour les VE depuis le début des années quatre-vingt-dix, est envisagée soit sous la forme du moteur central, soit sous la forme répartie ; la solution à quatre moteurs (un par roue) semble très séduisante. 2.5 Machine à réluctance variable Cette machine synchrone est envisagée, dans les VE, sous deux formes : machine classique à trois voies pilotables ; machine hybride à aimant permanent. La machine classique à trois voies pilotables, alimentée par un onduleur triphasé, dont la fréquence est asservie à la vitesse de synchronisme, nécessite une structure particulière du rotor, ayant un rapport élevé entre les inductances directes (X d ) et celles en quadrature (X q ). Pour obtenir des puissances massiques comparables à celles des machines préalablement décrites, il faut atteindre X d /X q > 12 à 15, ce qui conduit à des solutions technologiques complexes, décrites notamment dans [16]. Le rotor, qui combine les effets d excitation par aimant et les effets de réluctance, donne un dispositif hybride, dont l application semble être actuellement plus séduisante pour la VE que le rotor à effet purement réluctant. Le moteur synchrone hybride à aimant permanent (PM synchronous - reluctance hybrid motor ) possède un stator identique à celui du moteur autocommuté ou autosynchrone (selon la version), mais un rotor ferromagnétique muni de pavés d aimants Figure 16 Moteurs synchrones hybrides à aimants permanents insérés, soit sur sa périphérie (figure 16a ), soit dans des encoches radiales semi-fermées (figure 16b ). Les aimants périphériques, aimantés radialement, sont séparés par des cales polaires amagnétiques, de manière à créer un champ d excitation multipolaire à distribution quasi sinusoïdale ; les aimants radiaux, aimantés diamétralement, créent un champ à répartition plutôt trapézoïdale. Les moteurs ainsi conçus fonctionnent selon le double principe de la machine synchrone à aimant et de la machine synchrone à réluctance variable. La machine présente une propriété intéressante, qui consiste dans l affaiblissement du flux dans la partie saturable de la carcasse, ce qui modifie le flux un peu comme dans la machine à collecteur électronique actif. Le décalage entre la fém et la tension appliquée dépend de la saturation de telle ou telle partie du rotor et confère au moteur des caractéristiques assez compatibles avec la traction de la VE. C est la version à aimants périphériques, donc autosynchrone, qui semble la plus prometteuse, car sa perméance est grande dans l axe direct d et faible dans l axe en quadrature q ; ainsi, la machine dispose d un couple de réluctance modulable important et d une possibilité de diminuer le flux par la saturation progressive. Exemple : la solution type appliquée dans les chaînes de traction des VE est toujours à moteur central ( 18 kw) et présente une configuration plutôt autocommutée (figure 16b ) : cela s explique par la facilité de construction du rotor, où l on insère plus simplement les aimants. Par ailleurs, le rôle de concentrateur du flux, joué par certaines parties ferromagnétiques du rotor, permet d envisager l emploi des aimants mélangés (terre rare et plastique), voire des ferrites. Pour éviter des pertes fer excessives, la machine tourne à des vitesses ne dépassant pas tr/min, avec un réducteur mécanique de l ordre de 1 à 3. L électronique à pont complet est pratiquement identique à celle d une machine à commutation électronique passive ( 2.3). 3. Transmission mécanique La transmission mécanique d une voiture électrique se compose classiquement d un différentiel, d un réducteur, d un système de blocage et, éventuellement, d une boîte de vitesses. La technologie de ces éléments est décrite dans [17] [18]. Ici, nous formulerons D Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique

11 LA VOITURE ÉLECTRIQUE quelques remarques sur les applications spécifiques de la transmission dans l environnement de la VE. Le rôle de la transmission, outre une fonction classique de liaison entre le moteur et les roues, réside dans la meilleure adaptation possible de la force motrice au démarrage en côte et aux accélérations sur le plat. Autrement dit, la transmission, qui relie le moteur de couple électromagnétique C em et la vitesse angulaire du moteur Ω em aux roues tournantes, à la vitesse Ω m, où s applique le couple résistant C rm, doit faire correspondre le mieux possible l espace couple-vitesse exigé aux roues du véhicule (figure 10) à l espace couple-vitesse du moteur électrique d entraînement. Dans le cas général, le couple développé par le moteur électrique s écrit : avec I courant d induit, K constante, P em puissance électromagnétique disponible (égale, au rendement près, à la puissance d alimentation), Φ flux total [égal pratiquement au flux d excitation dans les moteurs à commutation mécanique MCM ( 2.2) et les machines à aimant permanent à collecteur électronique passif MCEP ( 2.3)]. En faisant une synthèse entre les courbes de la figure 10, on obtient l espace couple-vitesse et puissance-vitesse de la figure 17, que l on peut atteindre avec les chaînes de traction décrites paragraphe 2 : soit par un entraînement direct, avec un moteur spécialement dimensionné et convenablement refroidi ; soit par un entraînement indirect, en intercalant, entre le moteur et la roue, un réducteur à rapport fixe ou/et une boîte de vitesses à rapport variable. Les chaînes MCM, avec un moteur à excitation séparée réglable et un induit piloté en courant, sont capables de travailler naturellement dans l espace de la figure 17 ; il en va de même pour les chaînes à pilotage vectoriel et, dans une certaine mesure, pour les chaînes à moteur réluctant hybride. Dans ces chaînes, le moteur électrique peut délivrer un couple maximal à l arrêt et fournir une puissance maximale dans une plage de vitesse étendue, permettant d éliminer, de la transmission, la plupart des éléments d usure (réducteur, boîte de vitesses, embrayage) et, donc d assurer, tout au moins théoriquement, l entraînement direct des roues. Ici, le couple maximal correspond au courant limite supporté par l induit et le fonctionnement à puissance constante est imposé pratiquement par les phénomènes de commutation (tant mécaniques qu électroniques). En revanche, l entraînement direct est plus difficilement concevable pour des chaînes mettant en jeu des machines à aimant permanent et un collecteur électronique passif. Dans ce cas, Φ Cte et l espace couple-vitesse du moteur est rectangulaire, c est-à-dire avec un couple électromagnétique toujours constant quelle que soit la vitesse (figure 18). Par ailleurs, la puissance délivrée est, en première approximation, linéairement constante ce qui conduit à un surdimensionnement du moteur. En appliquant ici une boîte de vitesses à trois rapports (figure 19), on approche mieux l espace couple-vitesse exigé de la voiture et on obtient surtout une puissance moyenne constante à vitesse élevée, ce qui permet de mieux dimensionner l électronique d alimentation et les batteries et d augmenter de façon significative la puissance massique du moteur électrique. Pour obtenir une puissance constante à vitesse décroissante, il convient d utiliser une transmission à rapport continuellement variable (boîte hydraulique, variomatique...) ; cette solution coûteuse n est utilisée, pour le moment, que sur quelques prototypes de VE. La solution à boîte de vitesses classique disparaîtra forcément dans les voitures électriques d avenir, mais les réducteurs à rapport fixe ou/et les boîtes de vitesses automatiques à deux rapports sont tout à fait envisageables. Le réducteur à rapport fixe k r permet de maintenir le moteur électrique à une vitesse v e élevée, tout en gardant le couple exigé aux roues, soit classiquement pour une chaîne idéalisée : C C mr Ω m em C em Ω e = ( k k r r Ω e ) P C em = KΦI = em Ω em Figure 17 Espaces couple-vitesse et puissance-vitesse exigés pour la voiture électrique Figure 18 Machines à aimant permanent et collecteur électronique passif : couple-vitesse et puissance-vitesse Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique D

12 LA VOITURE ÉLECTRIQUE 4. Batteries de traction automobile. Éléments de stockage rapide 4.1 Batteries conventionnelles Figure 19 Machines à aimant permanent et collecteur électronique passif, avec une boîte de vitesses à 3 rapports : couple-vitesse et puissance-vitesse Si l on souhaite délivrer une puissance maximale dans la plage Ω md Ω m max, ce qui correspond le plus souvent à l accélération sur le plat, on obtient à partir de l expression précédente : C rm max Ω m max Ω e max = k r Ω m max Ω md P rm max La technologie actuelle ne permet pas une fabrication de réducteurs avec k r > 10, adaptés aux couples transmis par l automobile, avec un coût suffisamment faible. Ainsi, il est difficile d envisager une application dans les chaînes de traction simples de machines électriques tournant à des vitesses supérieures à à tr/min (vitesse maximale aux roues d environ 1200 tr/min). L augmentation de cette vitesse, qui conduit à la diminution des puissances de la machine et, partant, limite le coût de l électronique et des batteries, conduit en revanche à des transmissions plus complexes, souvent composées de réducteurs à plusieurs étages et de boîtes de vitesses automatiques à rapports multiples. En résumé, le choix de la transmission la mieux adaptée aux voitures électriques permet d optimiser l ensemble de la chaîne de traction de la VE, mais cette optimisation ne se fait pas sans contrepartie : d une part, la vitesse plus élevée du moteur donc son poids plus faible peuvent être compensés par le poids de la transmission ; d autre part, la vitesse de la machine se répercute sur l électronique de puissance (fréquence de découpage) et sur la précision des capteurs. La règle actuelle consiste à choisir la transmission la plus simple possible, au détriment du poids du moteur : en effet, une surcharge de quelques kilogrammes demeure toujours très faible devant le poids des batteries embarquées. Bien que la littérature technique décrive de nombreux accumulateurs, seules les batteries plomb-acide et nickel-cadmium (cf., dans ce traité, article Accumulateurs [D 940]) sont aujourd hui industriellement utilisables. L accumulateur au plomb, inventé en 1859, est à la fois le plus ancien et le plus utilisé des accumulateurs électrochimiques. Sa tension par élément est de 2 V. Sa version pour la traction automobile, beaucoup plus récente ( ), tente de trouver le meilleur compromis possible entre l énergie massique et la durée de vie (le nombre de cycles de recharge possible). Les batteries au plomb se caractérisent actuellement par : une énergie massique de l ordre de 40 Wh/kg pour les éléments ouverts et de 30 Wh/kg pour les éléments étanches (figure 20), lors d une décharge en 5 h à courant constant ; en utilisation réelle dans un véhicule, ces valeurs sont réduites de 20 % ; un nombre de cycles de charge variant entre 600 et 900 sur un banc d essai ; cette valeur est réduite de moitié sur un véhicule ; une mauvaise tenue aux décharges profondes ; les éléments les plus faibles subissent assez souvent, en fin de charge, une inversion électrochimique ; une réduction des performances à basse température. Malgré cela, les batteries au plomb équipent la majeure partie des véhicules électriques produits à ce jour et, qui plus est, elles risquent d équiper une part importante des véhicules électriques dans les années à venir. Il y a plusieurs raisons à cela : elles restent les moins chères, les plus fiables et ne posent aucun problème de sécurité ; les infrastructures de recyclage des produits usagés sont en place ; leur durée de vie s améliore avec l utilisation de systèmes intelligents de gestion d énergie qui éviteront, notamment, les inversions en cours de cycle. Enfin, ce qui paraît essentiel, les recherches en cours sont susceptibles d aboutir à des progrès sensibles. Compte tenu des essais déjà effectués en laboratoire, on doit pouvoir doubler l énergie massique des accumulateurs au plomb [19], en améliorant la collection des charges au sein des électrodes et le taux d utilisation des matériaux actifs. Par ailleurs, une nouvelle technologie, dite bipolaire (les électrodes bipolaires comportent une face négative et une face positive, séparées par une paroi étanche conductrice électronique), spécialement adaptée aux véhicules automobiles permet de s affranchir des collecteurs et des connexions internes, qui représentent une grande part de la masse de l élément. Les gains ainsi obtenus affecteront, d une façon importante [20], la puissance et l énergie massiques, l encombrement et le coût de fabrication. L accumulateur au nickel-cadmium, inventé en 1904, est la plus performante des batteries électrochimiques et la plus largement commercialisée ; sa tension par élément est de 1,2 V. La version, dite frite plastifiée, récemment développée, pour la voiture électrique se caractérise par les performances suivantes : une énergie massique de l ordre de 50 Wh/kg (figure 20) lors d une décharge de 2 h, c est-à-dire le double de celle des batteries au plomb ; un nombre de cycles de charge légèrement supérieur à ; une dégradation des performances très réduite à faible état de charge ; par ailleurs, les décharges profondes affectent peu ce type de batteries, les éléments ne subissent pas le phénomène d inversion de polarité. D Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique

13 LA VOITURE ÉLECTRIQUE 4.2 Stockage rapide Les batteries doivent permettre de disposer d une grande quantité d énergie avec un poids raisonnable ; mais, avec les accélérations lors de franchissement de côtes et un freinage récupératif efficace, on doit pouvoir fournir ou stocker une puissance élevée pendant un temps relativement court. À cet effet, on envisage : soit un dispositif mécanique (volant d inertie) ; soit un dispositif électrochimique (supercapacité). La gestion du stockage inertiel d énergie au sein d une VE est décrite notamment dans [22], le pionnier dans ce domaine étant actuellement American Flywheel Corp. Une supercapacité est un condensateur particulier, mettant en jeu un électrolyte, en général organique (liquide ou solide) et muni de bases au charbon actif (supercapacité) ou encore d oxyde métallique (ultracapacité). Au point de vue physique, il s agit toujours d un gros condensateur, stockant peu d énergie ( 3 à 8 Wh/kg), mais capable de délivrer ou d absorber une puissance massique très élevée, de l ordre de 10 kw/kg. Figure 20 Puissance massique en fonction de l énergie massique de quelques types d accumulateurs pour différentes durées d utilisation Malgré des performances incontestablement supérieures à celles des batteries au plomb, les accumulateurs au nickel-cadmium n équipent que peu de voitures électriques et ne risquent pas, dans un avenir proche, de supplanter les accumulateurs au plomb ; cela tient à plusieurs facteurs : un coût élevé (par kilowattheure, actuellement quatre fois supérieur à celui des batteries au plomb), que la fabrication en grande série peut réduire de 20 % environ ; une réduction plus importante est difficilement envisageable, vu la disponibilité limitée du cadmium ; une mauvaise tenue à des températures supérieures à 40 à 50 o C, surtout en charge ; la toxicité du cadmium ; une conception du type ouvert, nécessitant une remise à niveau périodique de l électrolyte. En outre, la marge de progression des batteries au nickelcadmium est, selon les spécialistes [19], beaucoup plus faible que celle des batteries au plomb. On sait, en effet, réaliser des batteries étanches avec du Ni-Cd, mais cette amélioration, qui supprime la maintenance périodique, se fait au détriment de l énergie massique (20 % en moins) et pour un coût encore plus élevé. Ajoutons que le Ni-Cd étanche est sujet à des élévations de température, ce qui nécessite l adjonction, aux auxiliaires de la VE, d un système de refroidissement régulé supplémentaire. Mis à part les deux types de batteries décrites, plusieurs accumulateurs et piles à combustible (cf., dans ce traité, article Piles à combustible [D 3 920]) se trouvent à un stade de développement plus ou moins avancé [21]. Parmi ces dispositifs, un accumulateur zinc-air, de conception originale (à électrodes cassettes interchangeables), proposé par une société israélienne [51] Electric Fuel suscite un intérêt mondial indéniable. On pourra se faire une opinion plus précise sur la capacité des accumulateurs après les essais menés en grande échelle par les Postes Allemandes qui en ont équipé plusieurs centaines de véhicules thermiques transformés en véhicules à propulsion électrique. La figure 20 illustre la complémentarité entre les batteries et les supercapacités : une batterie au plomb délivre l énergie maximale, soit 30 Wh/kg (point A), si on l utilise sur des durées de 1 à 10 h à des puissances de 5 à 35 W/kg (points B et C) ; une supercapacité ne peut fournir, par contre, pendant 10 s, qu une énergie massique de 0,8 Wh/kg, mais à une puissance de l ordre de 500 W/kg (point E). Ainsi, une supercapacité chargée par des batteries peut fournir la pointe de puissance nécessaire pour accélérer et symétriquement absorber la puissance de freinage, pour la stocker momentanément, puis la restituer aux batteries. Observons que plus une batterie est performante, donc plus son énergie massique est élevée, plus le problème d effacement des pointes de puissance devient critique. Sur la figure 20, on a représenté l accumulateur au lithium (plus précisément Li-SO Cl 2 ), qui se trouve au stade du développement et dont l énergie massique (prévue pour 150 Wh/kg) permet de diviser par 5 le poids des batteries, mais la puissance installée disponible baissera dans les mêmes proportions, devenant inférieure à ce que donnent les batteries au plomb les plus classiques. Remarque : les caractéristiques de la figure 20 ne correspondent à aucune réalisation concrète, mais représentent une compilation des valeurs moyennes, à partir des catalogues de plusieurs constructeurs. Par ailleurs, un certain nombre de chercheurs prédisent une conception particulière des batteries au plomb, capables d absorber et de fournir la puissance avec les mêmes temps de relaxation que pour les supercapacités. 4.3 Gestion intelligente des batteries Les performances des batteries, mesurées sur un banc à cycle (charge-décharge) programmé, diffèrent considérablement de celles effectuées sur une voiture électrique. Cela est dû, d une part, à la conception d un pack de batteries et, d autre part, à l environnement de la voiture électrique. Le pack de batteries se compose de plusieurs monoblocs, euxmêmes assemblés à partir des éléments. Pour les batteries au plomb, les monoblocs comportent, en général, 6 éléments de 2 V, soit 16 monoblocs pour un pack, fournissant une tension de 192 V, employée couramment. Dans l ensemble des éléments mis en série, il y en a forcément un qui présente une capacité différente des autres ; la mise en série impose la même sollicitation en courant Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique D

14 LA VOITURE ÉLECTRIQUE l historique (le fonctionnement passé) de la batterie, c est-à-dire l indicateur fiable de l autonomie résiduelle ; la conduite moyenne (courant limite ou accélération limite), permettant l autonomie voulue. À un niveau plus évolué, l instrumentation est conçue pour dialoguer avec un chargeur et gérer la charge, notamment rapide ( 4.3). Le traitement des grandeurs primaires fournit, en plus, une assistance au freinage ou, plus particulièrement, une répartition du freinage entre le mode récupératif et le mode mécanique, en fonction des consignes du conducteur. Une programmation convenable d aide au freinage permet de récupérer entre 80 et 95 % d énergie cinétique du véhicule [28]. La voiture électrique étant destinée initialement à la circulation urbaine, elle est souvent prévue avec une direction assistée ; selon des sources japonaises [26], une telle assistance du type hydraulique présente une consommation très faible, de l ordre de 400 Wh par jour, sur un cycle ECE-15 (Urban Driving Cycle de la CEE) [27]. Figure 21 Schéma synoptique d un dispositif de gestion intelligente de batteries pour l ensemble des éléments. En décharge, l élément le plus faible se décharge plus profondément et plus vite que les autres ; le phénomène est cumulatif et diminue les performances du monobloc tout entier. Le pack placé dans une voiture est le plus souvent, de par son volume et son utilisation, en déséquilibre thermique, ce qui aggrave encore les conditions de fonctionnement de certains éléments ; les éléments les plus chauds sont toujours les moins bien chargés et ils évoluent progressivement vers une décharge profonde. Pour tirer le meilleur parti de la batterie, celle-ci ne doit pas être considérée comme une source d énergie passive, mais intégrée dans le système global de la voiture et dotée d un dispositif de gestion capable d optimiser son fonctionnement. Un tel dispositif doit pouvoir : équilibrer la tension entre les éléments, soit en phase de freinage récupératif, soit à l aide de mini-chargeurs internes [23] ; homogénéiser la température du pack par refroidissement forcé ; répartir la puissance entre les batteries et les éléments de stockage rapide en cas de besoin ; interdire une décharge des batteries au-delà de certaines limites. La figure 21 donne le schéma synoptique d un dispositif de gestion de batteries, qui s inspire des publications [24] et [25], concernant un dispositif mis au point par la Direction des Recherches d EDF et la société IES (Intelligent Electronic Systems). Outre les fonctions décrites préalablement, on prévoit ici une possibilité de dialogue entre la voiture et la borne de recharge rapide, de manière à adapter la technique de recharge (à la fois thermique et électrique) à l homogénéité du pack des monoblocs. 5. Systèmes d auxiliaires 5.1 Instrumentation. Aide à la conduite L instrumentation spécifique de la voiture concerne essentiellement l acquisition et le stockage des données primaires et, plus particulièrement, de la tension et du courant (figure 21). À partir de ces grandeurs, on fournit au conducteur deux renseignements essentiels : L ensemble des instrumentations est alimenté le plus souvent à partir d une batterie auxiliaire de 12 V, munie d un chargeur spécifique. Dans certaines réalisations, une partie au moins de l énergie fournie par les générateurs photovoltaïques sert à recharger la batterie d instrumentation. 5.2 Climatisation Puissance thermique nécessaire Un véhicule conventionnel moyen dispose approximativement de 4 kw de puissance pour le chauffage (température minimale extérieure de 18 o C) et de 6 kw pour un conditionnement d air efficace l été (température maximale extérieure de + 45 o C). Ces puissances sont disponibles sur le circuit de refroidissement du moteur pour le chauffage et à partir du compresseur de climatisation pour la réfrigération, ou, encore, sur un dispositif de conditionnement d air, qui assure le confort thermique quelle que soit la température. La puissance thermique se répartit pour moitié ( 2 kw) en dissipation à travers la carrosserie et pour moitié en air évacué vers l extérieur. À ce bilan de puissance, il convient d ajouter le dégivrage et le désembuage des vitres, soit une puissance installée de 300 W, et la gestion de circulation d air (ventilateur, compresseur), qui nécessite quelque 200 W. Au total, le chauffage de la voiture représente une installation de 2,5 kw ; la même puissance est suffisante pour la climatisation (qui, en absorbant 2 à 3 kw, produit deux fois plus de puissance frigorifique à l évaporateur). Contrairement aux véhicules thermiques, les véhicules électriques ne disposent ni de pertes suffisantes, ni de sources d énergie autres que les batteries de traction, pour climatiser l habitacle. En effet, si les pertes totales de la chaîne de traction peuvent atteindre en pointe 3 kw, les sources de chaleur sont disséminées, et, surtout, leur débit est très aléatoire ; par ailleurs, il est impossible d entraîner le compresseur de climatisation par le moteur de traction ; ce dernier, contrairement au moteur thermique, ne tourne pas à l arrêt du véhicule. Quel que soit le mode de climatisation, elle s effectue presque totalement à partir de l énergie embarquée ; il convient donc de limiter les déperditions thermiques de l habitacle par une isolation des parois et l utilisation de vitrage athermique, pour ne pas augmenter le poids des batteries. Par ailleurs, il est souhaitable de réaliser le préchauffage et la préclimatisation, quand le véhicule est branché sur la station de D Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique

15 LA VOITURE ÉLECTRIQUE charge. Normalement, 1 kwh (soit 2 kw pendant 30 min) suffit pour obtenir 25 o C en chauffage et 21 o C en climatisation. Enfin, on réduit la dépense d énergie en évitant le rejet de l air à l extérieur et en optimisant sa circulation dans l habitacle ; plus particulièrement, on recherche la réduction de l effet de la surface froide, en réalisant un flux d air le long des parois (figure 22) et le maintien hors-buée des vitrages [29] Types de climatisation Figure 22 Circulation d air préconisée dans une voiture électrique La climatisation de la voiture électrique est envisagée de trois manières différentes : par un brûleur à carburant, alimenté à partir d un petit réservoir de quelques litres de fuel ; par un système de résistances, avec ou sans récupération de la chaleur des différents circuits de refroidissement ; par une climatisation totale basée sur une pompe à chaleur. Le brûleur à carburant, employé très couramment dans les voitures de la première génération, ne présente aucune particularité. Le chauffage de l air se fait soit directement, soit par l intermédiaire d un fluide caloporteur ; il convient de signaler toutefois que la VE, ainsi équipée, ne répond pas aux normes du type ZEV (Zero Emission Vehicle ). Le chauffage par radiateurs électriques s effectue, dans les VE, à l aide de résistances à coefficient de température positif (CTP). L avantage de ce type d éléments chauffants, à température constante et à débit d air convenablement ajusté, réside dans une autorégulation de la consommation électrique en fonction des besoins thermiques et, partant, dans un contrôle très fin de la puissance absorbée [30]. Pour une voiture de taille moyenne, dans les conditions climatiques de la France, le maintien d équilibre thermique, à l aide de radiateurs CTP, nécessite une puissance maximale de l ordre de 1 kw. L énergie correspondante est prélevée sur les batteries de traction ; on peut envisager, en utilisant une gestion électronique, d injecter les pertes de la chaîne de traction en amont du radiateur et de diminuer ainsi la puissance installée pour le chauffage d environ 10 à 20 %. La climatisation totale, basée sur la pompe à chaleur, peut correspondre au schéma classique de la figure 23 (d après [31]). Le circuit comprend un motocompresseur à régulation électronique (typiquement un moteur à aimant permanent et un variateur V) et deux échangeurs thermiques : l un intérieur (condensateur) et l autre extérieur (évaporateur). La puissance, fournie par l échangeur intérieur à l habitacle, est augmentée par la puissance prélevée à l extérieur par l évaporateur. Le fonctionnement inverse donne le circuit frigorifique. Remarquons qu à la puissance électrique P correspond une puissance thermique d environ 2 P, ce qui permet théoriquement une climatisation de la VE avec une puissance installée de 500 à 600 W. On peut envisager un appoint énergétique non négligeable des générateurs photovoltaïques. Il convient de constater que le système basé sur la pompe à chaleur, efficace aux températures moyennes, nécessite un appoint supplémentaire, surtout pour des températures inférieures à 5 o C, c est-à-dire en chauffage ; cet appoint est fourni généralement par un radiateur électrique. Enfin, le chauffage des voitures électriques, qui représente un problème énergétique réel, a suscité ou réactivé de nombreux travaux de recherche ; ainsi, plusieurs systèmes dits à masse de stockage élevée, comme les accumulateurs d enthalpie de changement d état ou les dispositifs à adsorption solide, font l objet de publications lors de conférences spécialisées [32]. Figure 23 Climatiseur utilisant une pompe à chaleur pour le chauffage dans l environnement d une voiture électrique 6. Problèmes d infrastructure 6.1 Modes de charge La voiture électrique étant essentiellement urbaine, sa recharge passe par des prises d énergie existantes ou/et par une infrastructure nouvelle (bornes de recharge), à installer sur la voie publique ou dans des endroits facilement accessibles (parkings, lieux de travail...). On envisage actuellement deux modes de recharge : par connexion directe (normale ou rapide ) ; sans contact. Seul le premier mode est réellement opérationnel. La recharge la plus simple s opère à l aide d une connexion directe, sur une prise dite normale, délivrant un courant alternatif de 15 A sous 220 à 240 V, soit environ 3,5 kva. Le courant alternatif est transformé en courant continu par le chargeur embarqué de la voiture. Une recharge complète s effectue en 7 à 10 h. Une heure de charge par connexion directe confère à la VE, à court d énergie, une autonomie de 10 km environ, lorsqu on utilise un chargeur intelligent, capable de dialoguer avec la borne de recharge ( 4.3) ; l autonomie peut être portée à 16 km [33]. En fin de charge, l autonomie stockée est moindre et ne correspond plus qu à 5 km par heure de branchement (batteries au plomb). L avantage de ce type de charge, qui peut être effectuée à partir d une prise domestique classique, réside dans l absence de la nécessité de toute structure nouvelle, tout au moins pour des particuliers possédant un garage ou une place de parking. La recharge par connexion directe rapide nécessite une borne spécialisée, délivrant un courant continu d une centaine d ampères, à une tension comprise actuellement entre 48 et 400 V, directement appliquée aux batteries du véhicule. La puissance installée est de l ordre de 30 kva. Ce type de recharge fournit, en principe, une auto- Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique D

16 LA VOITURE ÉLECTRIQUE nomie de 2 à 3 km par minute de charge, à condition que les batteries soient capables d absorber sans dommage des courants élevés. Une cogestion de stockage par les éléments intelligents du véhicule et de la borne paraît ici absolument nécessaire. La borne de recharge rapide (figure 24) est conçue de deux manières, en fonction de l énergie qu elle fait transiter : dans le cas le plus simple [34], son équipement comporte un chargeur-redresseur alimenté par un réseau triphasé ; dans le cas le plus sophistiqué, il s agit d une vraie sous-station de recharge, composée d un bloc de batteries préchargées [35] ou d un volant d inertie entraînant un groupe électrogène. L avantage du deuxième système réside dans la possibilité d approvisionnement énergétique nocturne. La recharge sans contact est envisagée sous deux formes différentes : la première méthode (transfert d énergie par micro-ondes) fait l objet d études, surtout au Japon ; la deuxième (couplage par induction) où l énergie transite de l enroulement primaire, généralement au sol, vers le secondaire, monté sur le véhicule, proposée initialement par les Allemands et les Américains est étudiée dans plusieurs pays et notamment en France. Avec ces dispositifs, l utilisateur n a plus de connexions à effectuer et la recharge devient pour lui complètement transparente. À notre connaissance, seul le couplage par induction est appliqué industriellement pour la recharge des chariots de manutention et des minibus de transport à courte distance (notamment à Disneyland aux États-Unis). Nota : récemment, un système mixte (connexion directe, charge sans contact) a été expérimenté aux États-Unis [36]. 6.2 Gestion de l énergie électrique L augmentation du nombre de voitures électriques posera forcément un problème de gestion de l énergie électrique disponible pour la charge. La quantité d énergie consommée par la VE dépend principalement de son rendement et de la distance qu elle parcourt. Conçue pour une moyenne de 40 km par jour, la voiture électrique demande entre 4 et 12 kwh par 24 h, ce qui donne une consommation annuelle comprise entre et kwh. Selon les différentes sources données par le GIFAM (Groupement interprofessionnel des fabricants d appareils d équipement ménager) et l INSEE (cf. dans ce traité article Applications électrodomestiques. Appareils [D 5 331]), en France, la consommation moyenne domestique des utilisateurs potentiels de la voiture électrique s élèverait à kwh et, selon [37], cette consommation s élèverait à kwh aux États-Unis ; ainsi, la voiture électrique pourrait augmenter la consommation familiale de 20 à 50 %. Figure 25 Répartition de la puissance consommée en fonction de la charge d une voiture électrique : étude de simulation [39] Figure 24 Borne de recharge rapide conçue par EDF Si la plupart des usagers rechargent leur voiture le jour, la puissance installée des centrales électriques va croître au-delà du raisonnable. Par ailleurs, la recharge rapide, nécessitant 20 à 40 kva, pendant des dizaines de minutes (d autres sources [38] donnent 60 à 150 kva), conduira non seulement à un surdimensionnement des centrales électriques, mais également à une modification des lignes électriques. En revanche, la recharge nocturne, ou la recharge rapide à partir des sous-stations chargées la nuit, demanderait une puissance d environ 1,5 kw (recharge pendant 6 à 10 h), facilement supportée par les installations existantes. Une étude de simulation effectuée au Japon [39], et portant sur une flotte de VE (dans une région qui compte actuellement de voitures thermiques individuelles), est reproduite figure 25. Si la totalité des voitures électriques est rechargée le jour, selon un échelonnement qui correspond au ravitaillement des voitures thermiques, la courbe de consommation de l énergie électrique quasi sinusoïdale nécessitera l installation d une puissance de 60 % supérieure à la moyenne. En revanche, une modulation de la charge de nuit et du restockage à partir des sous-stations permettra d alimenter entre et VE, sans jamais dépasser la consommation d énergie moyenne. Il faut noter le rôle de stockage d énergie inutilisée que pourront jouer, aussi bien de jour que de nuit, les centrales de recharge où, par ailleurs, on pourra utiliser des batteries à haute capacité (filière chaude ) que, pour des raisons de sécurité entre autres, la voiture électrique ne peut pas admettre. D Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique

17 LA VOITURE ÉLECTRIQUE 7. Perspectives On s accorde généralement sur le fait qu il y ait un certain nombre d inconvénients et d avantages concernant la voiture électrique. Parmi les principaux freins à la présence significative de la voiture électrique dans le trafic urbain, citons une autonomie limitée, l absence d infrastructures de recharge et un coût d achat élevé. En revanche, la VE est peu ou pas polluante, silencieuse et sa consommation d énergie est des plus réduites. Essayons d étudier, d une façon critique, l ensemble de ces facteurs et de situer les progrès éventuels dans le temps. 7.1 Analyse des limitations techniques Autonomie et circulation urbaine Examinons tout d abord dans quelle mesure la voiture électrique peut s intégrer dans la circulation urbaine, pour y remplir des fonctions classiques telles que trajet travail-domicile ou/et domicile-lieu de loisirs ou lieu de commerces, transport de marchandises de faible volume ; la voiture doit disposer (Étude CITELEC [27]) : dans le premier cas, d une charge utile de 200 kg, pour un poids total de 850 kg ; dans le deuxième, d une charge de 400 kg pour un poids total de kg. La distribution des trajets de véhicules particuliers et utilitaires légers, sur les routes et dans les villes d Europe de l Ouest, est représentée figure 26. Cette étude [40] montre que la plupart des véhicules parcourent moins de 100 km par jour (78 % environ) et que, dans les zones urbaines, les déplacements journaliers sont limités : de 50 à 100 km (30 à 50 km si l on tient compte uniquement du transport des passagers), à une vitesse commerciale de 20 à 30 km/h, le plus souvent avec un seul passager à bord. Exemple : si l on se réfère au tableau 1, la consommation moyenne d une voiture, pesant environ 800 kg, tourne autour de 10 kwh/100 km, à la vitesse commerciale de 40 km/h, ce qui correspond, pour une autonomie de 100 km, à un poids des batteries au plomb embarquées de 250 à 400 kg. La voiture électrique, avec les batteries les moins performantes, est donc énergétiquement bien adaptée à la circulation urbaine d aujourd hui. De plus, elle présente deux avantages techniques supplémentaires : un gabarit relativement faible ; une possibilité de conduite calme et sans à-coups, particulièrement adaptée à la fluidisation de la circulation urbaine [41]. Par ailleurs, elle n émet aucune substance polluante et peut donc facilement passer dans des tunnels et souterrains relativement longs sans ventilation particulière. Ainsi, l aspect autonomie et intégration dans la circulation des villes ne semble pas constituer un obstacle au développement de la voiture électrique urbaine Infrastructure de recharge Selon les analyses effectuées, il s agit d un problème mineur ou d un problème réel. Figure 26 Distribution des trajets, ville et route (enquête dans divers pays d Europe) [40] La recharge ne pose pas de problèmes si elle s effectue quotidiennement pendant les heures creuses, sur le lieu de stationnement résidentiel du véhicule (garage, parking...), dans le cas où une prise du réseau existe (celle-ci est de même puissance que celle d une machine à laver le linge par exemple) ; dans le cas contraire, son installation est facile à réaliser. L installation de bornes sur la voie publique, pour les résidents des villes ne disposant pas de places de stationnement fixes, est moins évidente, mais tout à fait possible à l aide des réseaux souterrains existants. Dans l optique d une recharge majoritairement nocturne, la recharge rapide ne constitue qu un dépannage sporadique et ne nécessite que très peu de bornes spécifiques. La suppression complète des bornes de recharge rapide est également envisagée, en les remplaçant par des stations de restockage mobiles, où l on pourra éventuellement échanger le pack de batteries. Une deuxième analyse met en jeu un véritable réseau de stationsservices électriques, tel qu on le conçoit traditionnellement pour la voiture thermique ; dans ce cas, le prix de l infrastructure est plus élevé et la gestion d énergie beaucoup plus complexe ( 6.2). Nota : quelle que soit l infrastructure de recharge, sa réalisation ne semble pas poser de problèmes techniques insurmontables et doit pouvoir s adapter au développement programmé de la voiture électrique. Passons sur l aspect monétique du problème, qui est abondamment traité par ailleurs [42], pour évoquer le projet d autoroutes de recharge, imaginé par la ville de New York [43], où l alimentation de la VE s effectuera par induction, et cela indifféremment à l arrêt ou/et en mouvement. 7.2 Problèmes économiques. Coût d achat Le tableau 2 résume le problème économique, lié à l achat de la VE. On considère que le prix de la voiture électrique (hors batteries) diminuera très fortement avec le volume du marché, du fait de la plus grande simplicité de la technologie électrique, capable de réaliser, au moindre coût, les fonctions dévolues aujourd hui à des organes mécaniques complexes. Par ailleurs, en grande série, le coût de la fiabilité de la motorisation électrique est depuis toujours inférieur à celui d une motorisation thermique comparable. (0) Les accumulateurs électriques et les organes de puissance d appoint (supercapacités...) suscitent le plus d interrogations, cela en fonction de leur progrès, que les prévisions du tableau 2 s avèrent optimistes ou pessimistes. Néanmoins, même avec des batteries au plomb, fabriquées en grande quantité pour les besoins de la traction, la voiture électrique de ville doit être vendue, dans une dizaine d années, à un prix comparable à la voiture thermique. Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique D

18 LA VOITURE ÉLECTRIQUE 7.3 Avantages Pollution La voiture électrique peut contribuer évidemment à la dépollution des villes, non seulement parce que son carburant est propre, mais également parce que, conçue pour un usage urbain, son emprise sur la chaussée est faible et sa conduite plus souple (couple maximal au démarrage, puissance constante à vitesse croissante), ce qui facilite l écoulement du trafic. Or, on multiplie la pollution par 4 en cas de bouchons ou en cas de conduite heurtée. Ainsi, chaque fois que la voiture électrique prendra la place de la voiture thermique, dans une file urbaine, la pollution diminuera en mouvement et surtout à l arrêt. Peut-on considérer que la voiture électrique fera diminuer d une façon significative la pollution des villes dans une dizaine d années? La réponse est malheureusement négative. Même dans les prévisions les plus optimistes, le remplacement de 10 % des voitures thermiques par des voitures électriques ne provoquera qu une diminution de la pollution dans la même proportion, c est-à-dire d une façon peu significative. Seules des incitations législatives ou, mieux encore, la complémentarité des modes de transport collectifs et électriques individuels, peuvent venir à bout de la pollution urbaine. Mais, cela ne dépend pas de la technologie et implique, à la fois, un changement des mentalités et une action conjuguée des Pouvoirs économiques et politiques Bruit Tableau 2 Problème économique lié à l achat d une voiture électrique VE [44] Prix d achat Prix VE = 3 VT Objectif an VE = 1,3 VT Extrapolation grande série 1 VE = 0,6 VT Prix de l énergie voiture à moteur thermique VT 100 % VE (énergie primaire non fossile) 10 % VE (énergie primaire fossile) 20 % Le développement de la traction automobile a complètement modifié notre environnement sonore ; ainsi, même dans une ville moyenne, les façades des immeubles sont exposées à plus de 50 dba [45], le niveau limite de confort étant fixé à 55 dba. Mis à part les deux roues, le bruit est généré au-delà de 40 km/h par les transmissions et surtout par le contact entre roue et chaussée. Sous les mêmes réserves que pour la pollution, l introduction de la voiture électrique à la place de la voiture thermique diminuera considérablement le niveau sonore des villes, et cela pour trois raisons : le moteur électrique, qui, rappelons-le, ne tourne pas à l arrêt (bruit au feu rouge ), peut être efficacement insonorisé d environ 0 à 100 km/h à la roue ; la gradation électronique de la vitesse et les pneus à faible frottement diminuent le bruit du contact entre roue et chaussée ; l emploi de chaussées à revêtement d enrobés drainants, difficile en zone urbaine, notamment à cause de la pollution par suintement et des dégradations thermiques et mécaniques, sera facilité par l introduction de la voiture électrique ; or, ces revêtements sont particulièrement silencieux. 8. Dimensionnement général de la motorisation Le dimensionnement général de la motorisation peut passer par les étapes ci-après. Évaluation de la puissance requise pour une caractéristique de roulage donnée. Choix et calcul analytique du moteur de traction et vérification des résultats par la méthode des éléments finis. Modélisation de l ensemble de la chaîne de traction et tests numériques en régime transitoire. Modélisation de la stratégie de pilotage. Modélisation de la ligne de transmission comprenant la chaîne de traction et le ou les réducteurs. Configuration finale de la motorisation. Nous décrirons (tableau 3) ces différentes étapes à partir d un programme numérique VOITEL1.DEM [46], dont quelques résultats sont reportés [D 5 561]. (0) Tableau 3 Tableau synoptique du dimensionnement général de la voiture électrique du programme VOITEL1.DEM VOITEL1.STAT prédimensionnement VOITEL1.DYN régime transitoire moteur VOITEL1.DYN projet de transmission VOITEL1.MOT version finale de la motorisation VOITEL1.SIM tests numériques évaluation des alternatives techniques configuration provisoire du moteur vers le programme d éléments finis simulation des parcours 1 re version de la carte de commande justification des transmissions mécaniques définition du tableau synoptique général répartition des masses et volumes simulation de l espace de fonctionnement ; limites routières et énergétiques À la base du dimensionnement, se trouvent les caractéristiques de roulage (figure 27), c est-à-dire les puissances nécessaires pour vaincre les différentes résistances de traction ; ces courbes sont obtenues soit par un calcul analytique, soit à partir des essais sur un véhicule existant [47]. Le réseau des caractéristiques de roulage, pour les différentes valeurs de pentes, doit être conjugué avec un cycle de travail vitesse-temps type, de manière à déterminer, à l aide de VOITEL1.STAT, le temps de relaxation thermique de la motorisation. En ce qui concerne la voiture électrique, nous utilisons, le plus souvent, le cycle européen de la figure 28. Néanmoins, d autres cycles sont proposés dans la littérature, notamment dans [48]. D Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique

19 LA VOITURE ÉLECTRIQUE L évaluation des alternatives techniques permet de comparer les différentes solutions susceptibles de répondre aux caractéristiques de roulage, dans le cadre du cycle du travail proposé par le cahier des charges. On établit ainsi un organigramme des filières de motorisation possibles (figure 29), parmi lesquelles on retient une solution plus précise en fonction d un certain nombre de critères définis dans [28] et réunis dans le tableau 4. En règle générale, si la zone de fonctionnement à puissance constante est inférieure ou égale à trois fois la vitesse de base (figure 10), on obtient un poids minimal des batteries avec une machine à aimant permanent périphérique et à commutation électronique passive. En revanche, l augmentation de cette zone (jusqu à cinq fois la vitesse de base par exemple) conduit à une machine nécessitant un réglage d excitation, soit à une machine à commutation électronique active synchrone à électroaimant ou asynchrone à cage. La solution, issue du prédimensionnement, est affinée par un calcul à l aide des éléments finis et étudiée en régime transitoire, qui permet de concevoir la première version de l électronique de puissance et de la carte de commande correspondante. Le choix de la transmission permet d établir un tableau synoptique de la motorisation semblable à celui de la figure 9. Après un test numérique de l espace de fonctionnement, une étude détaillée des différents soussystèmes concerne essentiellement : le choix des composants de puissance ; la quantification de la fonction d autopilotage ; le choix du système de refroidissement pour le moteur et pour l électronique de puissance ; la technologie du système de transmission mécanique ; la répartition des masses, moteur, transmission, batteries. (0) 9. Problèmes de sécurité Figure 27 Caractéristique de roulage : exemple Figure 28 Cycle européen v (t ) en trajets ville et route Les véhicules électriques posent un certain nombre de problèmes de sécurité, que l on peut diviser grossièrement en quatre groupes distincts : danger d électrocution ; dommages provoqués par une motorisation spécifique ; protection en cas d accident ; sécurité de recharge. Le dernier groupe, en grande partie externe au véhicule, est étudié très en détail dans [49]. Il n est pas traité ici. Le danger d électrocution provient du contact direct ou indirect avec la source de haute tension, qui, à bord de certains véhicules électriques, peut atteindre actuellement 600 V, alors qu une tension de 192 V est relativement courante. La protection contre l électrocution par contact direct est assez semblable à celle des transports en commun, où les parties conduisant le courant sont pourvues d une isolation électrique double et d un système d écrans mécaniques résistant aux chocs ; comme dans les trolleybus, les vernis ou les isolants polymérisés ne sont pas considérés comme des protections suffisantes pour des tensions en courant continu supérieures à 60 V. Les contacts indirects, correspondant à l apparition accidentelle de la tension sur une partie de la structure de la voiture, doivent être évités dans la mesure du possible par l isolation complète des câbles de puissance. Aux précautions classiques, il convient d ajouter, dans la voiture électrique, les fusibles intégrés dans chaque bloc des batteries ; en effet, la protection habituelle de surintensité n assure pas la coupure sur les bornes des accumulateurs. Remarquons que le positionnement du fusible de batterie s avère très délicat à cause de l environnement de l hydrogène. Le contact indirect peut être le plus dangereux, lorsque deux parties de la structure, mises sous tension accidentellement, ne se trouvent pas en contact électrique ; ici, un pontage (connexions équipotentielles ), surtout à travers les parties plastiques de la carrosserie, est indispensable. La conception de la motorisation d une VE diffère fondamentalement de la conception d un entraînement thermique, d où la nécessité de prévoir un certain nombre de mesures de sécurité spécifiques, pour prévenir les mouvements non contrôlés ou/et non désirés du véhicule. L accident le plus banal, mais également le plus fréquent, est lié à la nature du moteur, qui, bien qu alimenté, reste immobile et silencieux à l arrêt (il n y a rien d équivalent au fonctionnement à vide du moteur thermique) ; dans ce cas, un objet qui tombe sur l accélérateur ou un enfant qui joue peuvent être à l origine du démarrage du véhicule ; compte tenu de la réponse très rapide en couple, seul Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique D

20 LA VOITURE ÉLECTRIQUE Figure 29 Motorisations possibles après dimensionnement Critères Tableau 4 Choix de la motorisation en fonction de différents critères MCEP MCEA MCEA MCEP Machine à commutation électronique passive et à aimant permanent périphérique ( 2.3) Machine synchrone à commutation électronique active et à électroaimant (pilotage vectoriel) ( 2.4) Machine asynchrone à commutation électronique active (pilotage vectoriel) ( 2.4) Machine à réluctance variable hybride ( 2.5) Rendement maximal Rendement moyen sur la plage de fonctionnement Vitesse maximale Prix du kw (crête) sur l arbre Coût relatif de l électronique de puissance Coût des capteurs et de la logique de commande Étendue de l espace couple-vitesse Variation de la tension de la batterie Complexité technologique, donc coût de la fabrication Sûreté de fonctionnement : impacts, vibration, corrosion mauvais ++ médiocre +++ passable ++++ bon D Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique

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