La Voiture Électrique

reusement, les véhicules réellement révolutionnaires sont souvent ignorés du public, ou injustement critiqués. Ainsi, la voiture électrique ne connaît pas de réel succès sur nos routes. C’est donc dans le but de mieux comprendre le principe de fonctionnement de ces véhicules révolutionnaires, et de les comparer aux voitures que nous connaissons, que j’ai choisi ce sujet.

Problématique

Dès que l’on commence à s’intéresser à la voiture électrique, on n’en entend que du bien. On parle de son silence et de sa simplicité, avant de mettre en avant sa propreté et son respect de l’environnement. On nous explique à quel point la conception d’un véhicule entièrement électrique est simple et logique, et que nous possédons depuis longtemps les moyens technologiques nécessaires à sa réalisation. Sur le papier, il semble que la voiture électrique ait tout pour réussir. Pour m’en faire une opinion, je me suis posé les questions suivantes : Quel est le principe de fonctionnement d’une voiture électrique ? Qu’est-ce qui la différencie des voitures présentes sur nos routes ? Est-ce qu’une voiture électrique consomme réellement moins d’énergie ? Pourrait-on imaginer un jour que la voiture électrique remplace la voiture à essence ? Ce travail est construit comme une comparaison des deux types de véhicules.

Recherche

Aussi tentant soit-il de mener ses recherches sur le vaste océan de documents qu’est le web, c’est dans un souci de justesse et de rigueur des informations que je me suis imposé une recherche dans le monde du réel, plutôt que le virtuel. Divers ouvrages très intéressants étaient disponibles à la bibliothèque centrale de l’EPFL. Je me suis assez rapidement concentré sur les batteries au Lithium-Ion, car cette technologie me paraissait être la plus prometteuse dans le domaine du stockage d’électricité pour un véhicule. La pile à combustible a également fait partie de mes recherches, mais elle me semblait moins adaptée et trop dangereuse. D’autres ouvrages sur les moteurs à combustion donnaient des informations précises sur le rendement, le dégagement de chaleur, et les caractéristiques techniques. Enfin, les autres ouvrages qui m’ont servi viennent d’amis et de connaissances. Pour mes tableaux de comparaison, je me suis rendu chez les différents concessionnaires et leur ai demandé les chiffres officiels. J’ai ainsi obtenu des données exactes ainsi que des explications détaillées de Toyota, BMW, Porsche et Peugeot. Lors du 77ème salon de l’automobile de Genève, j’ai pu discuter avec plusieurs vendeurs et techniciens présents sur les stands, qui m’ont expliqué en détail le principe de fonctionnement de leur véhicule électrique, et leur objectif commercial. Aussi, dans le cadre de ce travail, j’ai essayé diverses voitures à essence à faible consommation (Peugeot 107, Toyota Aygo), ainsi que la dernière Toyota Prius. Pour comprendre le principe d’une voiture écologique, rien ne vaut l’expérience d’en conduire une soi-même. -3-

Travail de maturité „La voiture électrique, comme alternative réaliste à la voiture à essence“

2 Principe de fonctionnement

Avant de comparer les deux types de véhicules - à essence, et électrique -, intéressons nous à leur histoire et résumons de manière simplifiée leur principe de fonctionnement. o 2.1 La voiture à essence

Image : création personnelle

La voiture à essence date de la fin du 19ème siècle, de 1886 pour être exact, avec la « Daimler Benz Patentwagen » (Image 2.1.1). Depuis, elle connaît une évolution constante. Ainsi, tandis que les premiers modèles nécessitaient un démarrage manuel à l’aide d’une manivelle, la première évolution majeure fut l’invention en 1911 du démarreur électrique1. Cette invention est considérée par beaucoup d’experts comme étant à l’origine de l’ "explosion" du marché automobile. Au fil des années, la voiture à essence a gagné en 2.1.1 puissance, en autonomie, en sécurité, et en confort. Aujourd’hui, la diversité des automobiles est immense et on peut trouver des véhicules adaptés à toute utilisation, à tous besoins. Bien que très différents, leur principe de fonctionnement est pourtant globalement le même. Elles consomment toutes de l’essence ou du gas-oil, et la nette majorité est équipée d’un moteur « Otto2 » à pistons conventionnel. Avant de nous intéresser aux autres composantes techniques, penchons-nous donc sur le fonctionnement de celui-ci.

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Source : Batteries for Electric Vehicles (voir Bibliographie) Du nom de son inventeur

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Le moteur à combustion

Ces moteurs sont aussi appelés « moteurs thermiques », car ils transforment une explosion dégageant énormément de chaleur en énergie mécanique. En effet, l’énergie dégagée par l’explosion d’un mélange de carburant et d’air dans la chambre met en mouvement les pistons du moteur, qui transmettent cette énergie à leur bielle. Celle-ci actionne le vilebrequin, et transforme le mouvement linéaire alternatif en un mouvement circulaire continu. Les résidus de l’explosion du mélange sont ensuite évacués par les tuyaux d’échappement.

Schémas : créations personnelles

Les voitures à essence actuelles utilisent un moteur à combustion à 4 temps. Ces 4 « temps » représentent en fait 4 étapes dans le cycle de rotation du moteur. Ce cycle est ensuite répété à une fréquence et une intensité plus ou moins élevées, afin d’obtenir la puissance et le régime désirés. Les 4 étapes sont l’admission - où l’air et l’essence entrent dans la chambre -, la compression où le mélange est compressé par le piston qui remonte avec élan -, l’explosion - où le mélange est allumé par la bougie, et le piston repoussé vers le bas -, et l’échappement - où les restes du mélange détonné sont évacués par la sortie d’échappement - .

Schémas : créations personnelles

Il existe beaucoup de types de moteurs à explosion, les principales variables étant la cylindrée (volume total des chambres), le nombre de pistons, le nombre de soupapes et l’agencement et les proportions des pièces (en V, en ligne, à plat, etc.…). Suivant ces caractéristiques, le caractère, la force, et la puissance du moteur varient. Cela permet d’obtenir une variété très importante de motorisations.

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Travail de maturité „La voiture électrique, comme alternative réaliste à la voiture à essence“ Comme vous avez pu le constater sur le schéma de la page précédente, le moteur ne travaille que pendant un seul temps (l’explosion), les 3 autres temps ne servant qu’à l’admission et à l’évacuation du mélange d’air et de carburant. Il requiert par conséquent une fréquence de rotation élevée pour délivrer de la puissance de manière constante et sans à-coups. Actuellement, les moteurs à essence ont un rendement (rapport d’efficacité entre l’énergie fournie et l’énergie utile) de l’ordre de 20 à 30%. Autrement dit, les deux tiers de l’énergie consommée sont gaspillés (transformés en chaleur principalement). En effet, le moteur à essence est grand consommateur d’énergie. Heureusement, cette énergie peut être stockée en grandes quantités. Stockage de l’énergie Les voitures actuelles sont équipées d’un réservoir d’essence d’une capacité d’environ 45 litres (entre 40 et 65 l généralement). Cela correspond à un volume de 4,5 x 10-2 [m3] et à une masse d’environ 32.6251 [kg] (masse du réservoir non comprise). L’énergie spécifique [Wh/kg] de l’essence - c'est-à-dire l’énergie que peut dégager un kg d’essence enflammé – dépend de la qualité de raffinement, mais vaut généralement environ 9'4382 [Wh/kg]. Cela signifie concrètement que l’énergie dégagée par la combustion d’un kg d’essence, suffit par exemple à alimenter 157 ampoules de 60W ou une vingtaine d’ordinateurs de bureau pendant une heure. Ces chiffres nous montrent bien que l’essence a un potentiel énergétique important. Un réservoir de 45 litres rempli d’essence peut potentiellement produire ~407'000 Wh (ou 407 kWh). Indice de performances Afin de pouvoir ensuite comparer les performances des voitures électriques à celles des voitures à essence actuellement sur le marché, je vous propose de considérer les données techniques de quelques modèles à essence de différentes catégories. Voici les chiffres que j’ai obtenus auprès de concessionnaires des marques respectives (je me suis efforcé de sélectionner des voitures qui illustrent bien leur catégorie).

Peugeot 107 Petite Citadine 2 voire 4 865 998 50(67) 93 315 4.6 109 35 760 13.7 157 13'930.BMW 320i Berline moyenne 4 voire 5 1435 1995 110(150) 200 506 7.4 178 63 851 9.0 220 43'300.Porsche 997 Turbo Sportive 2 voire 4 1585 3600 353(480) 620 - 680 876 12.8 307 67 523 3.7 310 200'500.-

Catégorie Nombre de places Poids à vide [kg] Cylindrée en [cm³] Puissance max. en [kW] ([ch]) Couple max. en [Nm] Conso. moyenne en