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Fonctionnement d'une voiture électrique

Comment fonctionne de A à Z une voiture électrique ? Si le principe est bien plus aisé et simple à comprendre que celui du moteur thermique, il est tout de même intéressant de se pencher plus en détail sur la (les) technique(s).
Commençons donc par l'architecture de base.

Architecture d'une voiture électrique

Commençons pas l'essentiel, à savoir les grands éléments qui composent le système de traction d'une voiture électrique :

Stockage de l'énergie

Batterie

C'est l'élément qui emmagasine l'énergie électrique grâce à une solution chimique. On utilisait auparavant dans les années 90 des batteries au plomb, d'où une autonomie limitée et une encombrement très important. Désormais on utilise les batteries au Lithium qui emploient un principe similaire tout en étant plus efficace. Pour faire simple il s'agit d'avoir une solution chimique à laquelle on peut soutirer des électrons. Une fois qu'on lui a tout pris cette solution devient stable : il n'y a plus de déséquilibre entre les bornes 6 et +, il n'y donc plus de jus à tirer. Pour recharger la batterie, on réinjecte des électrons à la borne - pour remettre la solution en déséquilibre et pouvoir de nouveau tirer du jus entre les bornes - et +. Si vous voulez connaître le fonctionnement en détails des batteries Lithium Ion allez faire un tour ici.

Tous les détails sur le fonctionnement des batteries Lithium Ion ici

Pile à combustible

Une pile à combustible est une sorte de batterie, la différence qu'elle se recharge en la remplissant de combustible, et non pas en lui réinjectant des électrons (de l'électricité donc). C'est donc un moyen rapide de faire le plein, bien plus qu'avec les batteries Lithium Ion malgré les bornes de recharge rapides assez efficaces.
Hélas, et si l'hydrogène est l'atome le plus répandu dans l'univers, il n'y en a plus beaucoup sur Terre (le soleil en est bourré, il le compresse devant nos yeux) ... Car tout ce qui nous entoure était à la base de l'hydrogène qui a été tellement compressé dans les étoiles que cela a donné lieu à des matériaux plus lourds : carbone, fer, eau etc. (tout en fait ... absolument tout le reste). Il n'y avait au début de l'univers que de l'hydrogène, c'est l'atome le plus simple qui soit : il a un proton et un électron ! On ne peut faire moins, c'est donc la matériaux le plus léger.
On arrive à en produire (ou plutôt en extraire de la matière) mais cela est très coûteux en énergie fossile, ce n'est donc pas parfait.

Voir le fonctionnement de la pile à combustible

Autre procédé ?

Il y a des milliers de manières de jouer avec les électrons, reste maintenant à trouver une solution chimique qui sera peu polluante et qui pourra emmagasiner rapidement des électrons en elle. Le Zync serait un belle voie d'avenir mais je n'en sais pas plus.

Gestion / modulation de l'énergie

Convertisseur DC/DC

Il sert à convertir le courant alternatif du secteur pour le convertir en continu dans le but de recharger la batterie.

Calculateur / Ondulateur

C'est le calculateur moteur qui gère beaucoup de choses ... Il contrôle les flux d'énergie grâce aux nombreux capteurs qu'il dispose. Par exemple, quand j'accélère j'appuie sur un capteur (la pédale) dénommé potentiomètre (c'est la même chose sur les voitures thermiques modernes), le calculateur gère alors le flux d'énergie à envoyer vers le moteur selon mon "degré d'accélération". Idem quand je relâche la pédale, il va gérer la récupération d'énergie en envoyant le jus généré par le moteur électrique (réversible donc) vers la batterie tout en modulant le débit électrique.

Moteur électrique

Le moteur électrique reprend un principe de physique pour son fonctionnement. Il s'agit d'exploiter la force électromagnétique pour générer du mouvement.
La science a en effet découvert que "l'épiderme" des atomes était constitué d'électrons. Certains épidermes ont un "surplus" d'électrons qui peuvent alors se balader d'un atome à l'autre (ce sont les matériaux conducteurs et on appelle cela le courant électrique). Ces électrons peuvent être bougés en leur envoyant des rayons électromagnétiques (lumière) mais aussi en le soumettant à un champ magnétique (aimant, mais sachez que lumière et champ magnétique sont liés entre eux).
On a donc eu l'idée de faire bouger un aimant à côté d'un fil de métal et on s'est aperçu que cela produisait du courant (qui va dans le sens du mouvement de l'aimant. Ce dernier entraîne les électrons à la surface des atomes). On a donc rapidement fait des montages circulaires plus intelligents : on met un aimant rotatif au milieu d'une bobine de cuivre (on peut aussi faire l'inverse, le cuivre au milieu et les aimants en périphérie. Et c'est d'ailleurs ce que l'on voit sur les moteurs électriques) ce qui produit de l'électricité en continue quand on le fait tourner (l'aimant). On a donc ici découvert en premier lieu le côté réversible du moteur électrique. Car ici on arrive à produire de l'électricité consécutif à un mouvement mais pas un mouvement à partir de l'électricité (ce que l'on recherche pour notre voiture électrique ici).
On a alors tout simplement essayé de faire l'inverse : Dans notre système d'aimant rotatif on a injecté de l'électricité dans la bobine. Et là miracle, l'aimant s'est mis à tourner ....
C'est donc le côté très intéressant du moteur électrique, il sait faire deux choses à la fois : créer un mouvement quand il reçoit de l'électricité ou créer de l'électricité si on le met en mouvement.

En général le rotor est à induction / asynchrone, c'est à dire qu'il a sur lui (au lieu d'un aimant comme sur le schéma) des petites bobines dans lesquelles de l'électricité (et donc de l'aimantation) est induite par le champ magnétique du stator. Mais le principe reste toujours le même : faites bouger un aimant devant du cuivre et vous génèrerez de l'électricité, ou envoyez de l'électricité dans du cuivre et vous ferez bouger l'aimant. Sans oublier qu'envoyer de l'électricité dans une bobine génère un aimant.

Il faut donc comprendre que le mouvement et la transmission d'énergie se fait sans contact entre le stator et le rotor : c'est la force magnétique (force de l'aimant) qui fait bouger les choses. Niveau usure on peut donc être rassuré.

Pour inverser le sens de fonctionnement du moteur (donc passer la marche arrière) il suffit alors d'envoyer du courant dans l'autre sens.

Voir ici pour les détails du fonctionnement d'un moteur électrique.

Transmission

Le moteur électrique ayant une plage de fonctionnement très élevée (16000 t/min sur une Model S par exemple) et un couple disponible rapidement (plus on est bas dans les régimes plus on a de couple), il n'était pas indispensable de produire une boîte de vitesses.
On a donc en quelque sorte un moteur qui est directement connecté aux roues ! La démultiplication ne changera pas que vous soyez à 15 ou 200 km/h.
Bien évidemment, le rythme du moteur électrique n'est pas exactement calé sur celui des roues, il y a ce que l'on appelle un réducteur.
Sur une Model S il est de 10:1 environ, c'est à dire que la roue va tourner 10 fois moins vite que le moteur électrique. Le rapport de réduction est généralement obtenu par un train épicycloïdal, chose que l'on connaît surtout dans les boîtes de vitesses automatiques.

Après ce réducteur il y a enfin le différentiel qui permet de faire tourner les roues à des vitesses différentes.

Embrayage ?

Pas besoin d'embrayage ni de convertisseur de couple car si un moteur thermique a tout le temps besoin d'être en mouvement ce n'est pas le cas d'un moteur électrique. Il n'a donc pas de régime de ralenti ni besoin d'un embrayage qui fait le pontage entre les roues et le moteur : quand les roues s'arrêtent pas besoin de débrayer.

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Suite des 5 commentaires :

Par paul (Date : 2018-04-02 11:13:17)

Bonjour, Merci pour votre très intéressant article . En fin de compte le seul problème de la voiture dite électrique est celui de la batterie, le lithium coûtant très cher, particulièrement à l'environnement.Mais si le principe est relativement simple il faut compter quand même avec tout le système de régulation qui, je l'espère, est plus fiable que celui des cartes des téléviseurs, téléphones et autres appareils. D'ailleurs je crois que si vous nous donniez un article sur les "annexes" de ces voitures électriques, cela serait très instructif et tout aussi intéressant que cet article Cordialement Paul Benoit Il y a 2 réaction(s) sur ce commentaire : Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2018-04-03 09:08:37) : C'est le seul problème mais il est loin d'être bénin ! C'est même la clé du problème et il est aussi présent pour l'électricité de nos maisons. Les fournisseurs / producteurs d'électricité rêvent depuis des décennies de pouvoir stocker le courant généré, mais ils ne peuvent pas vraiment le faire sauf en passant par des astuces / bricolages (ex : on utilise l'énergie pour stocker de l'eau en hauteur. Quand on a besoin de la récupérer / restituer, on fait couler l'eau vers le bas en la passant dans des turbines génératrices de courant). Par pct (2018-04-14 23:22:32) : pourquoi les producteur d'électricité n'utilisent pas de batterie pour stocker l'électricité : à cause du rendement : un STEP (barrage ou l'on pompe l'eau pour stocker de l'énergie puis passer dans une turbine pour la récupérer) a un rendement de l'ordre de 95%, là ou une batterie a un rendement au mieux de 75% (classiquement 70% de rendement à la charge, sauf si elle est lente, on arrive à 85% ) et 60 à 80% à la décharge selon sa rapidité. Globalement une batterie c'est mieux qu'un moteur à combustion interne (entre 12% et 30% de rendement), sauf si l'on prend en compte la centrale électrique (qui a un rendement au mieux de 50% dans le cas des turbines à vapeur à tres haute température, et 30% dans le cas habituel ). Réagir à ce commentaire (Votre post sera visible sous le commentaire)

Par J.Hansotte (Date : 2018-03-08 11:50:04)

Bonjour, Est-il possible de reprendre certain élément de votre article pour un travail de fin d'étude? Je suis étudiant en expertise automobile en Belgique. Je peux vous certifier que votre site sera cité dans les sources et le travail ne sera jamais publié sur le net, seulement en format papier à mes professeurs, les élèves n'auront pas accès a celui-ci. Merci d'avance, Jérôme Hansotte Il y a 1 réaction(s) sur ce commentaire : Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2018-03-09 07:43:17) : Dans ce cas là aucun problème, je suis même ravi que ça puisse vous aider. Réagir à ce commentaire (Votre post sera visible sous le commentaire)

Par Vincent (Date : 2018-02-13 20:46:54)

Bonsoir, Est-il possible de reprendre certains éléments de l'article (texte + image) pour un état de l'art sur un rapport de projet électronique (je suis en école d'ingénieur INSA Rouen). Bien sûr votre site sera mentionné dans la bibliographie. Le rapport ne sera pas publié sur le web et n'a aucun objectif commercial et sera non accessible aux autres étudiants. En attendant votre réponse veuillez agréer mes sincères salutations. Vincent Il y a 1 réaction(s) sur ce commentaire : Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2018-02-14 09:21:38) : Dans ces conditions aucun soucis, bon courage pour votre travail. Réagir à ce commentaire (Votre post sera visible sous le commentaire)

Par Heliantos (Date : 2018-01-14 09:06:56)

Il n'y a ni convertisseur de couple, ni embrayage sur une Prius Revoyez le principe du HSD de Toyota, une merveille de mécanique et d'informatique associée, d'une grande fiabilité... Il y a 1 réaction(s) sur ce commentaire : Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2018-01-15 07:58:00) : En effet, et cela contrairement aux transmissions à variation continue classiques (moins complexe que sur la Prius). Merci à vous. Réagir à ce commentaire (Votre post sera visible sous le commentaire)

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