L’ingénierie des véhicules électriques

Alors que le monde se tourne vers des solutions éco-responsables, la technologie des véhicules électriques s’est rapidement classée au premier plan de cette évolution, promettant une nouvelle ère des transports. L’introduction des véhicules électriques (VE) représente l’une des avancées majeures de l’ingénierie et de la technologie automobiles survenues au cours du siècle dernier. Cette transition entraîne non seulement un changement de carburant, mais aussi une refonte complète de l’architecture, du moteur et de la gestion de l’énergie du véhicule. Dans cet article, nous examinerons les concepts techniques fondamentaux à l’origine des voitures électriques contemporaines, notamment le fonctionnement de ces véhicules et les raisons expliquant leur popularité croissante.

Les principes de base des VE

Il existe deux grandes catégories de véhicules électriques : les modèles hybrides et les modèles 100 % électriques. Les véhicules hybrides offrent une solution intermédiaire entre les voitures à moteur thermique classiques et les véhicules « tout électrique » en combinant moteur électrique et moteur à combustion interne. Il existe des classifications supplémentaires couvrant les véhicules hybrides rechargeables (PHEV, Plug-in Hybrid Electric Vehicle), les véhicules hybrides complets et les véhicules hybrides auto-rechargeables, chacune de ces catégories offrant différents niveaux de consommation de l’essence ordinaire et de l’énergie électrique. D’autre part, il existe les voitures 100 % électriques ou BEV (Battery Electric Vehicle), qui fonctionnent uniquement à l’électricité. Elles n’émettent pas de gaz d’échappement, mais nécessitent d’être fréquemment rechargées. Pour un résumé des différents types de véhicules électriques, consultez notre article. 

Quels sont les composants d’un VE ?

Un véhicule électrique est une technologie sophistiquée, plus respectueuse de la planète que la voiture à moteur thermique. Du point de vue de leur rôle au quotidien, les deux types de véhicules sont très similaires. En revanche, ils diffèrent radicalement au niveau de leur conception. Dans la suite de cet article, vous découvrirez les composants d’un VE :

Groupe motopropulseur électrique

Au cœur d’un véhicule électrique se trouve son groupe motopropulseur, qui est foncièrement différent de celui d’un moteur thermique (ICE, Internal Combustion Engine). Les principaux composants sont les suivants :

• Moteur électrique : Les VE sont équipés d’un moteur électrique, qui transforme directement l’énergie électrique en énergie mécanique, par opposition aux moteurs thermiques (ICE), qui génèrent de l’énergie à partir de la combustion du carburant. Ces moteurs sont généralement classés en deux catégories : synchrones (à aimant permanent) et asynchrones (à induction). Parmi leurs principales qualités, citons leur couple instantané, leur rendement élevé et un entretien minime. 
• Bloc-batterie : Le bloc-batterie d’un véhicule électrique, qui stocke l’énergie électrique sous forme chimique, sert de source d’énergie pour le véhicule. La batterie lithium-ion, qui est appréciée pour sa haute densité énergétique, sa durée de vie importante et sa capacité de recharge, est le modèle de batterie le plus utilisé dans les véhicules électriques. Les performances et l’autonomie des véhicules électriques bénéficient d’améliorations constantes suite aux progrès technologiques que connaissent les batteries. De fait, les évolutions récentes montrent que les batteries des VE pourraient avoir une autonomie de 1 000 km.
• Électronique de puissance : ce composant joue un rôle essentiel dans le contrôle du transfert de l’énergie électrique entre le moteur et la batterie. Pour alimenter le moteur, le convertisseur, par exemple, convertit le courant continu (CC) de la batterie en courant alternatif (CA). De plus, les systèmes de freinage régénératif, qui récupèrent l’énergie pendant le freinage pour la réintroduire dans la batterie, dépendent aussi lourdement de l’électronique de puissance. 

Systèmes de gestion de batterie (BMS)

Les performances du bloc-batterie sont surveillées par un système de gestion intelligent (le BMS), qui garde un œil sur diverses variables, telles que la température, la tension et le niveau de charge, garantissant des performances optimales. Afin de prolonger la durée de vie de la batterie, le BMS répartit la charge entre les différentes cellules et protège la batterie contre la surcharge et le vidage complet, deux situations pouvant l’endommager. Les technologies BMS de pointe incluent des algorithmes prédictifs capables d’anticiper l’état d’intégrité de la batterie et les habitudes d’utilisation, pour une sécurité et une fiabilité garanties. Le BMS permet également d’optimiser les cycles de charge afin de prolonger la durée de vie de la batterie et d’améliorer l’efficacité globale du véhicule. 

Freinage régénératif 

Grâce à l’utilisation de la technologie de freinage régénératif, les VE peuvent récupérer l’énergie perdue sous forme de chaleur au cours du freinage. L’actionnement des freins a pour effet de faire fonctionner le moteur en marche arrière, entraînant le ralentissement de la voiture et convertissant l’énergie cinétique en énergie électrique, laquelle est ensuite stockée dans la batterie. En réduisant l’usure des composants de freinage conventionnels, cette technologie permet non seulement d’améliorer le rendement énergétique, mais aussi de préserver le bon état des freins et de diminuer les frais d’entretien. Le freinage régénératif permet également d’optimiser la dynamique du véhicule en offrant une décélération en douceur et une commande des freins plus sensible. 

Régulation thermique

Pour que le bloc-batterie et le moteur électrique fonctionnent bien et durent longtemps, il est primordial de réguler la chaleur de manière efficace. Pour maintenir des températures de fonctionnement optimales, les VE font appel à diverses techniques de refroidissement, dont la thermorégulation par liquide et par air. En plus d’accroître la sécurité, une régulation efficace de la chaleur augmente le rendement et prolonge la durée de vie des composants du véhicule. Autre élément des systèmes de thermorégulation de pointe, les pompes à chaleur permettent d’utiliser les pertes thermiques pour chauffer l’habitacle, pour une hausse du rendement énergétique total dans les régions froides. De plus, en évitant la surchauffe pendant les périodes de charge à haute puissance, la thermorégulation de pointe permet d’améliorer les capacités de recharge rapide.

Matériaux légers et aérodynamique

Afin de réduire le poids des batteries et de gagner en efficacité, les constructeurs privilégient l’utilisation de matériaux légers tels que la fibre de carbone et l’aluminium dans les voitures électriques. Les conceptions aérodynamiques avancées permettent également de réduire la résistance, ce qui augmente les performances et l’autonomie du véhicule. Les VE modernes se caractérisent souvent par une forme fuselée, une calandre à volets actifs et un dessous de caisse lisse. Ces critères de conception visent non seulement à améliorer l’efficacité du véhicule mais contribuent aussi à rendre la conduite plus silencieuse et plus confortable, en atténuant le bruit du vent et de la route. L’emploi de matériaux légers permet en outre d’optimiser la tenue de route et l’accélération, pour une expérience au volant plus attrayante.

Infrastructure et systèmes de recharge

La simplicité d’utilisation du système de recharge des VE joue un rôle décisif dans l’adoption des véhicules électriques. Les VE sont livrés avec des chargeurs intégrés qui utilisent les prises de courant domestiques ou les bornes de recharge pour convertir le courant alternatif (CA) en courant continu (CC) afin de recharger les batteries. Les trajets sur de longues distances en VE sont désormais possibles avec l’apparition des technologies de recharge rapide, notamment les chargeurs rapides en CC, qui ont considérablement réduit la durée de recharge. De plus, de nouvelles technologies, telles que la recharge sans fil et la recharge bidirectionnelle, rendent la gestion de l’énergie des habitations et des véhicules plus adaptable et plus efficace. Le manque d’autonomie effraie de moins en moins et un nombre grandissant de personnes pensent que les véhicules électriques constituent une alternative viable grâce aux améliorations des infrastructures de recharge, notamment les chargeurs ultra-rapides qui peuvent fournir une autonomie de plusieurs centaines de kilomètres en l’espace de quelques minutes.

Technologies autonomes et connectées

Les constructeurs automobiles sont sur le point d’intégrer la conduite autonome et les technologies connectées dans de nombreux modèles électriques. Les systèmes avancés d’aide à la conduite (ADAS), la connectivité de recharge bidirectionnelle V2X (vehicle-to-everything) et les mises à niveau logicielles sans fil sont rendues possibles par la multitude de capteurs, de caméras et de systèmes de communication inclus dans ces voitures. Ces innovations optimisent les performances et les économies d’énergie tout en améliorant la sécurité et le confort d’utilisation. Elles ont également des interactions directes avec le groupe motopropulseur électrique. Ces technologies sont encore améliorées par l’utilisation de l’IA et des algorithmes d’apprentissage automatique, qui augmentent l’intelligence des VE et leur capacité à détecter les conditions. Les technologies connectées ouvrent également la voie aux applications de gestion de flottes et V2G (Vehicle-to-Grid), où les VE peuvent réinjecter de l’énergie dans le réseau électrique en vue d’améliorer la stabilité et la durabilité du système d’énergie global.

Technologies innovantes dans les VE

Les véhicules électriques sont truffés de technologies innovantes, issues de travaux d’ingénierie de pointe, qui sont en train de révolutionner le secteur, en agissant sur les performances, l’efficacité et la durabilité. Voici quelques exemples de la nouvelle vague d’innovations introduites par les véhicules électriques :

L’expérience de conduite

Comme cela a été indiqué plus haut dans cet article, les véhicules électriques sont réputés pour leur couple instantané et leur grande accélération. Contrairement aux voitures à moteur thermique où le couple maximum n’est atteint qu’après l’accélération, les véhicules électriques génèrent le couple maximum directement lors de l’accélération. Cette fonction permet de dépasser d’autres véhicules et de manœuvrer plus rapidement, ce qui augmente le plaisir au volant mais aussi la sécurité. Le couple instantané est dû à l’application immédiate de la tension au moteur électrique, entraînant le transfert direct de l’énergie aux roues et une rapidité au démarrage et en accélération. Côté performances, cette fonction est plutôt avantageuse, car certains VE peuvent passer de 0 à 100 km/h en à peine 2,5 secondes.

Outre le couple instantané, les VE sont équipés de systèmes de navigation de pointe, qui intègrent des données et informations de circulation en temps réel afin d’identifier les itinéraires les plus pratiques. En comprenant des paramètres tels que les places de parking disponibles, l’emplacement des bornes de recharge et les embouteillages, ces systèmes améliorent l’expérience au volant. En optimisant les itinéraires, ces systèmes de navigation permettent aux conducteurs de gagner du temps et d’être moins stressés. Par ailleurs, ils contribuent à l’amélioration du rendement énergétique et à la réduction de la consommation de carburant du véhicule en évitant retards et détours inutiles.

Recharge et gestion des batteries

L’utilisation d’une borne de recharge domestique dédiée constitue le moyen le plus pratique de recharger la batterie d’un VE, car cette solution est plus sûre et peut être mise en œuvre la nuit. Les infrastructures de recharge publiques se développent sous l’impulsion de réseaux comme Pod Point, BP Pulse et Shell Recharge. Cependant, la diversité de cette offre peut compliquer le processus de recharge, car les conducteurs doivent souvent naviguer entre différents sites Internet, applications ou cartes RFID en fonction du réseau.

L’une des inquiétudes récurrentes concernant les véhicules électriques est leur capacité à tenir la distance prévue avant de devoir être rechargés. Même s’il s’agit d’une inquiétude légitime, de nouvelles batteries sont mises au point en permanence et certaines voitures électriques, telles que la Mercedes-Benz EQS, qui est équipée d’une batterie de 107 kW/h, peuvent rouler pendant 635 km sans besoin d’être rechargées. Les batteries lithium-ion évoluent constamment. Pour découvrir les distances qu’elles nous permettront bientôt de parcourir, lisez cet article. 

Impact des variations saisonnières sur les batteries des VE

Les températures extrêmes peuvent avoir un effet négatif sur la recharge et le fonctionnement des batteries de véhicules électriques. Les batteries fonctionnent de manière optimale entre 20 ℃ et 25 ℃. Le froid extrême peut réduire leur autonomie de 10 à 15 % pendant la recharge et des pertes supplémentaires peuvent se produire suite à l’utilisation d’équipements de chauffage. D’un autre côté, les températures élevées nécessitent le refroidissement des batteries, ce qui consomme de l’énergie supplémentaire. Il est possible d’atténuer ces effets en employant diverses techniques, par exemple en rechargeant sa batterie à seulement 80 % et en se garant à l’ombre lorsqu’il fait très chaud. D’après les données dont nous disposons, les VE sont trente pour cent plus efficaces par temps chaud, ce qui souligne l’impact de la température sur l’efficacité.

Conclusion

L’ingénierie des véhicules électriques est un domaine complexe et en constante évolution, qui englobe un large éventail de disciplines, allant de l’ingénierie électrique et mécanique à l’informatique et à la science des matériaux. De ce fait, une toute nouvelle catégorie de véhicules est apparue, caractérisée par des avantages notables en termes d’efficacité, de capacité et d’impact environnemental. Les voitures électriques sont bien placées pour jouer à l’avenir un rôle majeur dans les transports, nous propulsant dans une société plus éco-responsable et plus connectée au fil des progrès technologiques.
Les innovations constantes que connaît ce domaine promettent des améliorations encore plus importantes sur le plan des performances, du coût et de l’accessibilité des VE. La vision d’un avenir automobile écologique deviendra ainsi de plus en plus proche de la réalité. Grâce aux investissements massifs consentis par les pouvoirs publics et les industries dans les technologies et les infrastructures des VE, et aux objectifs fixés par l’UE d’atteindre la neutralité carbone d’ici 2050, la transition vers la mobilité électrique s’accélère.