Fonctionnement d'une auto > Fonctionnement d'une voiture électrique 21/08/2019

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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 :

Gestion / modulation des flux électriques

Convertisseur DC/DC

Il sert à convertir la haute tension (330V) de la batterie Lithium ion pour la batterie de servitude au plomb (12V). Donc 330V >> 12V

Chargeur embarqué / redresseur

Il transforme le courant alternatif en provenance de la prise vers un courant continu destiné à la batterie de puissance.

Calculateur / Ondulateur / redresseur

C'est le calculateur de puissance et 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.

Il peut onduler le courant grâce à un hacheur (batterie vers moteur) ou encore redresser le courant (récupération d'énergie alternative pour la batterie à courant continu).

Recharge ? Alternatif et Continu ?

Les voitures électriques peuvent être rechargées par un courant alternatif ou continu.

Courant alternatif (maison et petits chargeurs)

A la maison on aura affaire à un courant alternatif qui devra passer par un redresseur interne à l'auto : AC/DC. C'est cela qui limite la capacité de recharge car ce redresseur ne peut pas avoir une grosse capacité : coût et encombrement. On sera alors limité à un peu plus de 20 kW pour les voitures les mieux dotées, et en général on sera vers les 10 kW de limite si vous avez une bonne installation électrique qui permet de monter jusqu'à ce niveau. De base, une prise classique délivre 2.7 kW bien que l'auto puisse prendre plus (là on se limite à ce que fournit la prise électrique au niveau ampères).

Par exemple, sur une Model 3 on la branchera à la maison avec un connecteur de Type 2 puisqu'il s'agit de courant alternatif. Un convertisseur interne permet alors d'absorber des recharges d'un niveau de puissance jusqu'à 11 kW. Une Model S peut quant à elle aller jusqu'à 22 kW sur les versions avant 2016 (après, les S et X se limitent à 16.5 kW)

Courant continu : superchargeurs haute capacité

Les superchargeurs sont en revanche à courant continu et ne nécessitent pas de passer par un convertisseur interne à la voiture : la capacité de recharge peut alors être énorme : jusqu'à plus de 250 kW.

Quand on charge au courant continu, (forte capacité), on a alors une autre prise sur la Model 3 (sur une Model S / X l'allure de la prise est en revanche identique, mais la norme européenne se dirige vers la prise CCS / Combo)

Voici la prise appelée Combo ou CCS

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.

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 michel (Date : 2021-10-28 12:06:57)

Bonjour,

Pourquoi certains VE n'acceptent pas la recharge en DC (je pense à certaines Dacia ou Renault) ? Est-ce dû à la capacité du calculateur de puissance, ou bien est-ce juste une posture "marketing" ?

Merci

Il y a 1 réaction(s) sur ce commentaire :

Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2021-10-29 14:51:01) : Sans pouvoir être certain à 100%, j'imagine que c'ets banalement lié au coût de revient. Moins je mets de choses moins ça scoute cher (rien que la prise + le câblage dédié apporte un supplément), et s'agissant d'autos avec de petites batteries pas besoin de proposer du DC.
Et s'agissant de Renault, on est sur 22 kW en recharge AC (11 sur une Model 3 par exemple), encore moins besoins d'être en DC ! Une batterie de 50 kWh se remplira suffisamment vite.

Maintenant il y a aussi peut-être un petit côté commercial, car ça peut s'obtenir en option sur les Zoe 2 si je me rappelle bien ...

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Suite des 52 commentaires :

Par Jean-ynes (Date : 2021-10-23 01:15:29)

AU sujet des moteurs à Hydrogène, vous écrivez: "On arrive à en produire (ou plutôt en extraire de la matière) mais cela est très coûteux en énergie fossile..."
'extraire de la matière' est assez ambigu... Le plus simple moyen que je connaisse est de l'obtenir par hydrolyse de l'eau, c'est à dire de fractionner sa molécule H2O, au moyen d'électricité qui n'est pas du tout obligatoirement obtenu par utilisation d'énergie fossile, bien au contraire surtout en France... C'est d'ailleurs là son principal intérêt...

Il y a 5 réaction(s) sur ce commentaire :

Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2021-10-23 11:18:57) : J'aimerais vous répondre mais ce serait un peu long ... Je vous invite à vous renseigner plus en profondeur.
Ne pas non plus confondre hydrolyse et électrolyse.
L’électrolyse nécessite beaucoup d'énergie, et donc ici il faut de l'énergie pour obtenir de l'énergie.
Vous vous permettez trop de légèreté : "Le plus simple moyen que je connaisse est de l'obtenir par hydrolyse de l'eau, c'est à dire de fractionner sa molécule H2O". Si avoir de l'électricité en masse était aussi simple, alors tous les problèmes énergétiques de l'humanité seraient résolus.

Bref, renseignez-vous sur les principaux canaux d'approvisionnement en hydrogène, et ne voyez pas la France (nucléaire) comme reflétant le reste du monde. Nous ne sommes qu'une poussière et on se fiche donc un peu comment notre pays génère son électricité (même avec du nucléaire, l'électrolyse n'est pas franchement viable, trop de transformations qui font perdre de l'énergie ... Ce n'est qu'avec du renouvelable que ça commence à tenir un peu la route, et encore).

Et puis au lieu d'utiliser de l'électricité pour générer de l'hydrogène puis ensuite re-générer de l'électricité (pile à combustible), autant utiliser directement l'électricité à la source !

Ce sujet ne semble pas totalement acquis de votre côté, et je ne vous jette pas la pierre d'ailleurs !
Par Ray Kourgarou TOP CONTRIBUTEUR (2021-10-23 13:38:39) : Pour trouver la meilleure solution parmi toutes celles envisagées faudra tomber 'pile' !
En attendant tenons-nous au 'courant' de l'évolution des techniques au 'fil' des découvertes et n'entrons pas trop en 'résistance' au risque de péter un 'fusible', il y a une 'batterie' de 'capacités' à envisager.
On se tient au 'jus' !!
😊😊
Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2021-10-25 09:31:47) : Il était bien chaud le Ray là, serait-ce lié à mon excellent jeu de mots (autre page) sur Ray qui veille ? ;-)
Par Ray Kourgarou TOP CONTRIBUTEUR (2021-10-25 12:03:01) : @ Admin :
ton JDM était excellent, très drôle (même si per"sonne ne rit").
Tu progresses ; Comme les Dupont-Dupond je dirais même plus, 'tu Pro-graisse' pour un Administrateur de site sur la mécanique. 😊😃
Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2021-10-27 16:50:31) : Merci Ray !
Hélas je ne progresse pas, elle m'est venue comme ça, genre coup de bol (tirage aléatoire gagnant dans la soupe de neurones qui se trouve dans mon crâne).