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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Dernier commentaire posté

Par sakura (Date : 2019-02-21 23:23:58)

bonsoir,
votre article est bien organisé et riche.Est-ce possible de reprendre quelques utiles informations de votre travail? pourquoi vous l'avez pas traité la recharge induite n'est-elle pas un bon choix!

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Suite des 25 commentaires :

Par Calliben (Date : 2019-02-18 05:33:36)

Bonjour donc selon cet article l'hydrogène est rare ?? L'eau h2o a de l'hydrogene, les HYDROcarbure tirent leur nom de l'hydrogene pas de l'eau. L'hydrogene est l'élément le plus présent sur terre a environ 73% en comparaison l'oxygène est present a environ 1%. De plus "stockage de l'énergie"? Si vous avez une solution de stockage de l'energie faites la connaître parce qu'on ne sait pas stocker l'énergie juste la produire en direct et donc un prix nobel vous attend sinon article sympa pour comprendre les bases.

Il y a 4 réaction(s) sur ce commentaire :

Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2019-02-18 08:44:42) : Etant amateur de cosmologie sachez bien que je suis plus qu'au courant de sa présence massive. Et même mieux, tous les atomes existant sont issus de l'hydrogène (fusion nucléaire liée aux étoiles et aux supernovæ et hypernovæ pour les éléments les plus lourds) puisqu'il n'y avait à la base que cet atome dans l'univers (après les 380 000 ans de plasma évidemment).
Et si H2O contient de l'hydrogène, casser la molécule nécessite beaucoup d'énergie et induit énormément de pollution, donc votre hydrogène massif il faut quand même l'extraire avec de l'énergie (c'est donc un peu le serpent qui se mort la queue : dépenser de l'énergie pour avoir de l'énergie, et ici c'est encore pire qu'avec l’extraction de pétrole qui est quand même plus vertueux. Rapport entre énergie dépensée et énergie récoltée).

Enfin je ne comprends pas trop ce que vous voulez dénoncez concernant le "stockage d'énergie", surtout que vous me parlez d'avoir un prix Nobel ;-)

Merci pour votre intervention, ça permet toujours de faire avancer le débat !
Par Calliben (2019-02-18 12:36:13) : L'extraction de l’hydrogène de l'eau se fait par électrolyse qui demande du courant disponible par énergie renouvelable (peu fait à l'heure actuel car les sociétés préfère polluer que mettre la main au porte feuille) donc elles préfèrent l'extraire des hydrocarbures. Pour le prix Nobel je parle du stockage de l'énergie comme stocker de l'électricité ce qui revient à stocker un mouvement d'électron, stocker de l’énergie cinétique c'est un rêve fou de l'homme et même à notre époque rien ne marche on sait la produire en direct, mais pas la stocker. Je préfère préciser car des gens utilisent ses propos pour leurs études et dire "on stocke de l'énergie" serai comme dire "J'ai créé le mouvement perpétuel". Je suis conscient que c'est possible que plus tard cela devienne vrai mais là on a même pas un début de piste puisque même piégé dans des champs magnétique on ne peut garder un mouvement dans une boite pour le stocker et l'utiliser plus tard.
Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2019-02-18 17:45:12) : Merci encore pour vos commentaires, il fait toujours plaisir de parler de ces choses ;-)
Il y a un gros besoin en énergie donc, et parler de renouvelable est un tout autre sujet il me semble (dans ce cas on peut dire que tout besoin en énergie est écologique et renouvelable puisque toute énergie peut être apportée par du renouvelable. Et d'ailleurs le pétrole c'est du renouvelable. Extrêmement lent certes, mais renouvelable quand même au bout de quelques millions d'années de pourrissement des végétaux. N'oublions pas non plus que le renouvelable par le vent et l'hydraulique nécessiterait plus de cuivre que nous n'en possédons. Tout passer à l'éolien est donc utopique).
Stocker l'électricité ou une énergie cinétique (et même toute énergie) reste possible et facile grâce à la gravité. C'est un peu archaïque comme procédé mais c'est pas mal utilisé. Quand on a l'énergie disponible (ex : soleil, vent, courant hydraulique etc.) on fait monter une charge, et c'est l'énergie potentielle gravitationnelle qu'elle contient qui s'occupe de stocker l'énergie. Quand j'ai besoin de puiser dans mon stock, je fais descendre la charge qui génère donc de l'énergie (en faisant tourner un générateur : bobine de cuivre / aimant, comme "d'hab").
Mais il est vrai que cette solution n'est pas vraiment adaptable à un véhicule, et donc la batterie est donc ici très utile.
Si vous êtes amateur de physique je vous conseille de consulter les vidéos de ce cher Julien Bobroff (supraconductivité qui peut s'avérer très intéressante à l'avenir). C'est un peu à côté du sujet mais c'est tellement intéressant ...
Par Calliben (2019-02-19 20:49:29) : Je ne parlais pas de tout électrique juste que l'extraction d'hydrogène peut etre faite par des energies renouvelables a vie d'homme le pétrole se forme du a des cadavres animaux ou vegetaux dans certaines conditions precise donc il n'est pas considéré comme renouvelable car si les condituobs ne sont plus reunis il n'y aura pas de pétrole). Pour en revenir au stockage de l'energie il n'est pas possible votre technique est une transformation d'energie qui induisent des pertes (raison pour laquelle il n'y a pas de mouvement perpétuel ni de stockage d'énergie