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Dernière modification 21/02/2023

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.

En parallèle : le refroidissement d'une voiture électrique et ses auxiliaires


Architecture d'une voiture électrique

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


 

Batterie lithium


La batterie est ce que l'on appelle un accumulateur qui permet de conserver une énergie sous forme chimique. Plusieurs chimies existent avec chacune leurs avantages et inconvénients.
La recharge induit des pertes, tout comme la propulsion de l'auto (batterie vers moteur électrique en passant par des convertisseurs), ce qui joue sur son rendement général.
Ces batteries sont composées d'une multitudes de cellules (petites batteries individuelles) qui peuvent parfois poser souci quand elles sont "désynchronisées" ce que l'on appelle déséquilibrées). Voir l'article qui traite de ce sujet ainsi que celui qui explique comment les rééquilibrer / recalibrer.



A découvrir : pourquoi la batterie charge lentement à froid ?

A lire :

Gestion / modulation des flux électriques


Convertisseur DC/DC

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

A lire aussi : les fiches techniques pour connaître la vitesse de charge des voitures électriques

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.

Charge lente : Courant alternatif AC


 

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)
 

A lire :

Charge rapide : courant continu DC
 

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)




 

Deux manières de stocker l'énergie

Batterie / accumulateur chimique

C'est donc 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 (presque) plus de déséquilibre (=  voltage = différence de potentiel) entre les bornes + 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. Sur certains types d'atomes, ces électrons peuvent être déplacés en "glissant" sur ces derniers : c'est de l'électricité (possible que sur les matériaux conducteurs, selon la topologie de leur couches électroniques, et en l'occurrence la dernière).
Quand je fais circuler de l'électricité dans un câble électrique il se transforme en aimant, et c'est cette force qui sera exploitée pour faire avancer la voiture. Mais à l'inverse, si je fais tourner le moteur avec une force externe, alors cette fois ci il va générer de l'électricité. A lire : fonctionnement de la régénération.
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.

A lire : le fonctionnement des différents types de moteurs électriques


Le principe : 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 s'agit pour cet exemple d'un moteur synchrone à aimant permanent (suivez les liens indiqués au dessus et en dessous pour en savoir plus)

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. A lire : la fiabilité des voitures électriques serait-elle moins bonne que prévu ?
 

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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