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Quels moteurs dans les voitures électriques
Tesla
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Une question très interessante: quels moteurs utilise-t-on dans les voitures électriques?
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Démarrage d'un moteur à courant continu par rhéostat.
Dans les moteurs modernes, on remplace les rhéostats par des modules électroniques


Moteur à courant continu


Moteur à courant continu, remarquez le collecteur et les balais à droite


Moteur asynchrone


Moteur à réluctance
Chaque saut de phase produit une rotation du moteur de 15°.
Actuellement, on n'utilise plus de pôle saillants (sauf dans les moteurs pas-à-pas) mais des barrières de flux.


Moteur synchrone

Moteurs à courant continu

Il existait déja des voitures électriques dans les années 1970. Elles étaient limitées dans leur autonomie et n'étaient utilisées que localement, par exemple une voiture de service sur un campus ou à l'hopital. Le manque d'autonomie n'avait pas grande importance, il s'aggissait de montrer qu'on était écolo avant la lettre (avant que le terme n'ait pris une connotation politique).

Le type de moteur utilisé était un moteur universel (le seul type de moteur à courant continu), car il n'existait pas de système pour transformer le continu des batteries en alternatif. Le moteur à courant continu avait en plus de nombreux avantages, ce qui fait qu'il était également utilisé (en plus grand) sur les trams.

Le moteur universel a plusieurs avantages: son grand couple à basse vitesse et son rendement qui est très bon. Il était de plus assez facile de moduler la puissance, c'est pour cela que les grands moteurs industriels étaient à courant continu (ascenseurs de mine, où il fallait non seulement une très grande latitude de vitesse, mais un couple constant à toutes les vitesses).

La modulation de puissance avec groupe Ward Leonard n'étant ni nécessaire ni pratique, on utilisait un rhéostat pour réduire la puissance du moteur des tramways lors des démarrages. C'est un système identique (mais simpifié) qui était utilisé dans les premières voitures électriques.

Avec l'électronique moderne, on peut varier la tension appliquée au moteur sans avoir de pertes dans le rhéostat. Le module électronique travaille en tout ou rien et un circuit lisse le courant appliqué aux moteurs. Les premières voitures électriques modernes utilisaient des moteurs à courant continu, car la technique était bien maitrisée.

Mais les moteurs à courant continu ont des charbons qu'il faut parfois remplacer. On a remplacé le changement d'huile par le changement des charbons (ou de moteur, quand on a oublié de remplacer les charbons à temps et que le collecteur est griffé), ce qui n'est pas vraiment un avantage.

Moteurs asynchrones

Quand Tesla a lancé ses voitures électriques, il a opté pour le moteur asynchrone, également appellé moteur à induction ou moteur à cage d'écureuil. Nikola Tesla a été l'inventeur du moteur asynchrone en 1887 (mais il n'a jamais travaillé pour Elon Musk).

De tous les types de moteurs disponibles, c'était le moteur ayant les meilleures caractéristiques. Il ne nécessite pas d'entretien en pratique (la voiture est usée avant qu'il ne faut remplacer les roulements). Grace a ses avantages, c'est le moteur le plus utilisé dans l'indusrie.

Avec les onduleurs à fréquence variable, on peut alimenter le moteur en courant alternatif à partir du courant continu des accus, et cela avec peu de pertes. L'onduleur permet également d'éliminer la plupart des inconvénients des moteurs asynchrones: le faible couple au démarrage et l'appel de courant élevé.

Mais le moteur à induction a un inconvénient, c'est son glissement par rapport à la fréquence. C'est le glissement qui produit les pertes. Elles apparaissent dans les spires du rotor (cage d'écureuil). Le rotor est en fait le secondaire d'un transfo, dont le primaire est l'inducteur (stator). Quand le rotor tourne à la même vitesse que le champ statorique, il n'y a pas de courant induit dans le "secondaire" et donc pas de pertes. Plus la charge est importante, et plus le glissement devient important, produisant un échauffement du rotor.

Tesla utilise la chaleur produite dans les moteurs pour réchauffer les batteries, mais c'est malgré tout une perte, surtout quand les batteries n'ont plus besoin d'être chauffées. Les pertes d'un moteur asynchrone ne sont pas élevées (elles sont tout à fait acceptables dans l'industrie), mais dans une voiture électrique il faut vraiment le moteur le plus efficace possible.

Le moteur asynchrone a encore un autre inconvénient, c'est le rapport puissance/poids qui n'est pas interessant: les moteurs sont nécessairement gros et lourds.

Moteurs synchrones

Pour éliminer les pertes, il faut faire tourner le moteur en synchronisme avec l'alimentation. Cela n'est possible qu'avec les machines à vapeur. Vous lisez ou vous dormez?

Le moteur-type est le moteur synchrone. C'est en fait le moteur asynchrone, dont on a remplacé la cage d'écureuil par des aimants permanents. On garde malgré tout la cage d'écureuil pour permettre le démarrage et éviter que le moteur ne décroche trop aisément, mais en fonctionnement normal, le moteur travaille en synchronisme et la cage d'écureuil n'est parcourue par aucun courant.

Ce type de moteur est utilisé par certains fabricants de voitures électriques. Il nécessite une commande intelligente pour réduire le fonctionnement asynchrone.

Mais les aimants permanents suffisamment puissants nécessitent l'utilisation de métaux rares (néodyme) ce qui rend le moteur très cher. Tesla a utilisé ce type de moteur sur quelques modèles puis est passé à autre chose: il utilise des moteurs à réluctance. Une autre alternative c'est de remplacer les aimants par des électro-aimants, mais ici il faut faire parvenir le courant au rotor, ce qui oblige à utiliser des pièces d'usure.

Pour avoir un rendement élevé, le moteur à réluctance doit avoir un entrefer très faible, mais il s'agit uniquement d'un problème à la construction, qui a pu être éliminé par des nouvelles techniques de fabrication. Une fois ce problème résolu, le moteur est bon marché.

Le moteur à réluctance variable (qui est à l'origine un moteur pas-à-pas) est connu pour ses variations de couple importantes qui produisent un bruit très caractéristique, cfr le moteur de la tête d'impression d'une imprimante à jet d'encre. Ce problème a été résolu par une commande progressive du moteur, avec des formes d'ondes particulières pour éliminer le pic du couple. La position exacte du rotor doit être connue par l'électronique.

Un tel moteur a une vitesse de rotation maximale réduite, mais cela n'est pas un inconvénient (au contraire!) car cela permet de coupler directement le moteur aux roues. Le couple est plus important aux basses vitesses.

Par rapport à un moteur asynchrone, le moteur synchrone a un rendement de 6% plus élevé. Malgré cet avantage il n'est pas souvent utilisé dans l'industrie, mais bien dans les toutes nouvelles voitures électriques. Une voiture avec une autonomie de 300km peut ainsi parcourir 316km avec le même jeu de batteries. Dans les voitures Tesla, on utilise malgré tout des aimants permanents, mais ceux ci sont de taille réduite et permettent d'améliorer le fonctionnement du moteur. Le freinage régénératif est par contre très compliqué avec ce type de moteur...

Tesla

On peut difficilement parler de voitures électriques sans parler de Tesla, je crois que vous vous en êtes rendu compte. Sans Tesla, il n'y aurait pas de voitures électriques sur les routes.

Les constructeurs traditionels sont très conservateurs et ont un système de production très rigide. Le lancement d'un nouveau modèle met des années et le lancement d'une nouvelle technologie... Je ne vous en parle pas. Il y a le gaz de pétrole liquéfié (GPL/LPG), le gaz naturel liquéfié (GNL/LNG), l'hydrogène,... Toutes des technologies qui n'arrivent pas à décoller malgré les taxes sur les autres carburants.

Les constructeurs traditionnels ne se font pas la concurrence, ils connaissent leurs marges bénéficiaires et celle des concurrents et ne veulent pas se lancer dans une guerre des prix.


Cela ne devrait plus être possible fin 2019!
Aucune motorisation électrique!

Les constructeurs traditionnels ont des voitures électriques, mais pas pour les vendre, mais parce qu'ils doivent de l'Europe (parfois l'Europe a du bon). La recherche est effectué par une firme étrangère (outsourcing est un mot très à la mode chez les grands groupes industriels). Cela occasionne des retards et ne permet pas d'optimaliser le tout.

Une voiture traditionelle est assemblée à partir de composants issus de diverses fabriques: le moteur de la fabrique A, les sièges de la fabrique B, le capot,... et ainsi de suite. Il n'y a en fait que le moteur qui est encore fabriqué par l'usine mère. Cela prend ainsi beaucoup de temps pour lancer un nouveau modèle et s'assurer que tous les composants sont compatibles.

Pour être rentable, il faut que les frais de recherches puissent être amortis par cent mille voitures, même s'il s'agit d'un nouveau moteur à combustion interne qui doit répondre aux normes plus strictes. C'est également la raison pour laquelle les voitures électriques sont si chères: l'avancée technologique est si rapide qu'il n'est pas possible de récupérer la mise.

Tesla est parti de zéro et n'a pas eu à s'encombrer de ballast. Dans une entreprise classique, il y a la division "moteur", la division "carrosserie", la division "électricité",... Chez Tesla tout est groupé, ce qui permet des économies d'échelle et permet des solutions plus adaptées, par exemple la récupération de la chaleur des moteurs pour chauffer les batteries.

Tesla est virtuellement en avance de 10 ans sur la concurrence. Je dis virtuellement, car les techniques utilisées peuvent être reprises en quelques années par la concurrence. Mais est-ce que la concurrence veut vraiment évoluer? Le marché de l'automobile est un marché mûr avec des rentrées régulières. Est-ce que les grandes marques veulent vraiment lancer un nouveau produit? Le meilleur exemple ce sont les voiture hybrides de Toyota: en fait ce sont toujours des voitures à moteur à combustion interne, l'autonomie sur batterie étant limitée à quelques kilomètres. Ca a l'air moderne, mais c'est du réchauffé.

En Europe, le marché de la voiture électrique est encore très limité, mais est en train de grandir rapidement. Et cette croissance se fait sur le dos des voitures traditionelles. Il y a des marques qui s'en rendent compte (Volkswagen qui est en train d'investir à fond dans la voiture électrique) et des marques qui s'en foutent (et qui achètent des "droits de poluer" à Tesla). Je peux vous dire une chose: dans dix ans on ne parlera plus du groupe Fiat.

Mais pour que la voiture électrique devienne vraiment populaire, il faut d'abord corriger un problème. S'il est possible de faire le plein d'essence avec une carte de banque, il faut une carte spécifique pour faire le plein électrique à une borne de chargement publique. Cela ne va pas favoriser l'acceptation des voitures électriques.

L'autonomie limitée des véhicules électriques est un point faible, et ce système ne va pas améliorer les choses. Ta batterie est presque vide et tu arrives à une borne de chargement disponible. Tu sors le cable, et puis tu te rends compte que tu n'as pas la bonne carte pour charger. En pratique il te faut trois cartes pour voyager au Benelux.

Charger à la maison coute environ 0.2€ par kW, un point de charge public coute trois fois plus par kW (mais permet une charge plus rapide). Les bornes de chargement situées près de l'autoroute sont très chères. Une voiture électrique consomme environ 15kW pour 100km (à une vitesse de 90km/h), ce qui porte le cout à 3€ par 100km (charge au domicile).

La charge à une borne publique peut engendrer des frais supplémentaires qui ne sont pas nécessairement signalés: il y a bien sûr le coût du kW, mais à cela vient s'ajouter une contribution de mise en route (je ne vois aucun exploitant de pompe, même sur l'autoroute qui facture l'utilisation du pistolet de remplissage) et parfois un supplément par quart d'heure de charge (tu as tout intérêt à avoir un véhicule qui charge très rapidement!) Avec certaines cartes, il faut verser l'argent à l'avance sur la carte pour pouvoir utiliser le réseau.

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