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Les moteurs des voitures électriques

Par   9 août 2013

Cet article est résolument orienté vers le véhicule tout-électrique ou exactement le moteur electrique de traction pour voiture. Mais de très nombreux problèmes technologiques devront être résolus pour quitter la période de transition impliquant des véhicules hybrides. Ces derniers vont conserver des moteurs thermiques couplés à des alternateurs pour générer le courant complémentaire. Les moteurs de traction seront les moteurs électriques. Les machines électriques, que sont les générateurs de courant et les moteurs de traction, vont connaître les développements nécessaires à leur adaptation à l’ automobile.

Moteur synchrone Meidensha pour Mitsubishi iMiEV Sport à aimants permanents 47 kW - couple maximum 180 N-m - Source Wikimedia Commons

Moteur synchrone Meidensha pour Mitsubishi iMiEV Sport à aimants permanents 47 kW – couple maximum 180 N-m – Source Wikimedia Commons

Moteurs électriques

Le moteur electrique est une machine essentiellement constitué d’un rotor à bobine de cuivre mobile et d’un stator fixe. La partie fixe est composée d’un ou plusieurs aimants ou électro-aimants. Un champ magnétique est généré lorsque le courant passe dans la bobine. Ce champ est opposé à celui créé par les aimants. Le fruit de cette opposition est une force tangentielle à l’axe de rotation, autrement dit un couple. Ce couple passe sur les roues. Le couple étant proportionnel au courant, plus il y a de courant, plus la vitesse sera grande.

Moteur à aimants permanents et courant continu : les forces électromagnétiques sont commutées mécaniquement . Le collecteur et les balais permettent la commutation. Animation Wikimedia Commons

Moteur à aimants permanents et courant continu : les forces électromagnétiques sont commutées mécaniquement . Le collecteur et les balais permettent la commutation. Animation Wikimedia Commons

Le moteur electrique à courant continu classique est remplacé, dans les véhicules électriques , par un moteur à courant alternatif triphasé , sans collecteur ( brushless synchrone à aimants permanents ) alimenté par un onduleur  de forte puissance. Cette centrale d’électronique de puissance découpe et met en forme le courant continu de la batterie pour alimenter le moteur en courant alternatif triphasé.

Moteur à champ tournant : courant alternatif triphasé Animation Wikimedia Commons

Moteur à champ tournant : courant alternatif triphasé Animation Wikimedia Commons

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Les  quatre types de moteur en animation (Zero Emission Vehicles Australia)

L’atout principal du moteur electrique est son rendement , c’est à dire la quantité d’énergie investie restituée en énergie mécanique.

* Rendement de  90 % et plus pour un moteur électrique ,
* Rendement de  35% pour un moteur à essence ,
* Rendement de  40% pour un moteur diesel.

Les autres atouts sont la simplicité ( seul le rotor est en mouvement ) et un fonctionnement silencieux, sans émission de gaz ou de particules fines .

Technologie sommaire des véhicules automobiles 100 % électriques

Le ou les moteurs électriques de traction sont connectés à la batterie , point de stockage de l’électricité, par l’intermédiaire d’un régulateur et d’un convertisseur.

* Le régulateur sert à régler l’intensité du courant qui alimente le moteur. Lorsque le conducteur du véhicule appuie sur la pédale d’accélérateur, la batterie libère du courant.

* Le convertisseur transforme alors le courant continu (CC) de la batterie en courant alternatif (CA). Le convertisseur peut être une partie intégrante du moteur.

La chaîne de transmission électromécanique est le point fort du véhicule électrique. En effet, un véhicule a besoin d’un couple élevé à basses vitesses afin de pouvoir accélérer et d’un couple moins important à des vitesses de croisière. Ces spécificités sont celles d’un moteur électrique. D’un point de vue mécanique, donc, un véhicule électrique est plus simple qu’un véhicule à moteur thermique : pas d’embrayage, pas de boîte de vitesses.

Un autre avantage du moteur électrique est qu’il peut transformer l’énergie cinétique du véhicule en énergie électrique pendant les phases de décélération et de freinage  ( le moteur électrique est une machine électrique  réversible) . Le moteur devient un générateur qui permet de recharger la batterie.

La qualité de la batterie et de la recharge est le point clé du véhicule électrique. Tous les véhicules électriques ont aussi un système embarqué qui leur permet de charger la batterie. Il existe deux méthodes pour recharger la batterie : conduction (système de branchement au réseau électrique) ou induction ( le chargement se fait sans contact ) . Dans les deux cas, le système chargeur contient un transformateur (adaptation de la tension) et un convertisseur (CA > CC). Les nouvelles générations de batterie supportent plus facilement de nombreux cycles. Les batteries nickel-hydrure métallique (Ni-MH), lithium/ion (Li-ion)… peuvent supporter assez de cycles pour parcourir 100 000 km. L’autonomie du véhicule est fonction de l’énergie stockée dans la batterie et dépendra aussi du poids total embarqué de la batterie (énergie massique de la batterie). Les nouvelles générations de batterie permettent des autonomies plus importantes.

Le super condensateur épaule l’alimentation de fort ampérage. Cette capacité délivre la puissance instantanée nécessaire aux fortes accélérations, quand les batteries sont lentes à répondre.

Équivalences ,unités

* 1 kW = 1,36 ch ( Le cheval-vapeur – unité : ch – est une unité de puissance ne faisant pas partie du Système international d’unités)

* 1 ch = 736 W = 0,736 kW

* On mesure le couple en newton-mètre (N·m).

* Un couple de 1 N·m appliqué à un axe qui tourne d’un tour représente un ajout d’énergie de 2 π J  où le joule (J) est l ‘unité de travail.

* «Couple » en anglais ( mécanique ) se dit  «Torque ».

* Puissance (ch)= Couple (N-m) x Régime (tr / mn) / 7029

* Puissance (kW)= Couple (N-m) x Régime (tr / mn) / 9550

Exemples

La GreenGT , voiture de course 100% électrique : son châssis en fibre de carbone est équipé de deux moteurs électriques triphasés synchrones de 2 x 100 kW linéaires. Le 0 à 100km/h devrait être atteint en moins de quatre secondes, pour une vitesse maximale de 275km/h. La puissance serait de l’ordre de 350 à 400 CV, pour un poids de 860 kg.

Tesla Motors commercialise depuis 2009 son Roadster  ( moteur triphasé à 4 pôles de 185 kW soit 248 CV à 13 000 tours par minute )  et un Model S est prévu pour 2011.

Tesla Roadster 1- Moteur électrique 2 - Transmission (8,27: 1) 3- Batterie 4 - Électronique de puissance

Tesla Roadster 1- Moteur électrique 2 – Transmission (8,27: 1) 3- Batterie 4 – Électronique de puissance

La technologie Symetron ™ de Raser Technologies  s’adapte à des véhicules comme la Chevy Silverado , la Ford F-150 ou la Dodge Ram. Il s’agit d’une solution hybride série , le moteur thermique ne servant que de prolongateur d’autonomie en alimentant un générateur de 100 kW. Le véhicule est propulsé par un seul moteur électrique de 100 kW ( 200 kW en pointe ) , alternatif à induction, alimenté par une batterie li-ion.

Constructeur anglais Smith Electric Vehicles : la motorisation des véhicules est assurée par un moteur de 90 kW (pour l’Editson) et de 120 kW (pour le Newton) et des batteries à base de nickel/chlorure de sodium.

Fisker Automotive présente des voitures électriques sportives ( modèle Karma ) concurrentes des Tesla . Il s’agit de voitures électriques d’une puissance de 400 ch (aidées par un moteur thermique de 260 ch qui ne sert que de génératrice) permettant des performances de haut vol (plus de 200 km/h et moins de 6 secondes pour passer de 0 à 100 km/h) avec une économie de carburant appréciable (moins de 2,5 l/100km). Fisker prévoit une commercialisation de ces modèles dès 2010, aux USA et en Europe.

L’ Active Wheel de Michelin est une roue qui comprend dans son encombrement le dispositif de freinage mais également un ressort assurant la suspension et un moteur électrique pour la propulsion. Les gains de place et de poids offerts par ce concept permettent d’envisager une conception radicalement différente de l’automobile. La Venturi Volage utilise quatre moteurs-roues de ce type.

Active Wheel : moteur de traction et moteur de suspension

Active Wheel : moteur de traction et moteur de suspension

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Fiat et Micro Vett utilisent un moteur triphasé asynchrone – Puissance: 30 kW à 2200 tours/min
Couple: 130 Nm de 0 à 2200 tour/min  –  Tension: 216 V

Source: knol.google.com | CC