4- La consommation de la voiture électrique

Sur une voiture électrique, le bilan énergétique est relativement simple. On distingue deux postes de consommation distincts.

a) Les organes périphériques

Ce sont tous les équipements extérieurs au moteur de la voiture. On pense notamment à la climatisation, très gourmande en énergie (1 à 2,5 kW). S’ajoutent à cela les phares (100 à 200w), la radio, les lève-vitre, ainsi beaucoup d’autres petits postes de consommation (lampes, éclairages tableau de bord, sondes actives, GPS, limiteur/régulateur, etc…).

Aujourd’hui, le travail consiste donc à abaisser ces consommations. Pour les postes d’éclairage, notamment dans les feux, l’utilisation de diodes électro luminescentes tend à se généraliser. En ce qui concerne la climatisation et le chauffage, des sortes de pompes à chaleur pourraient faire leur apparition. Un passage à 42v est même envisagé, pour remplacer le 12v actuel. En augmentant la tension, les pertes dues à la distribution diminuent, et permettent par ailleurs un allègement des câbles.

Cette puissance n’est utilisée que lorsque les équipements fonctionnent.

Une avancée intéressante est celle proposée par Toyota sur sa dernière Prius. Pour un surcoût raisonnable (de l’ordre de 1000 euros), le constructeur nippon propose de doter son véhicule phare d’un toit composé de cellules photovoltaïques. La production d’électricité, après avoir été redressée, est injectée dans les batteries, pour en augmenter l’autonomie. Malgré le rendement très contenu du dispositif, et un surplus de poids, le gain est réel, et permet de rouler en partie grâce à une énergie renouvelable. Si l’on reste dans notre logique, on peut dire que cet organe (le toit) à une consommation négative.

b) Le moteur

Il s’agit bien sûr du principal poste de consommation du véhicule. Pour un moteur électrique, il faut distinguer deux puissances distinctes : la puissance absorbée (Pa), et la puissance effective (Pe). Ces deux grandeurs sont reliées par le rendement n du moteur, qui est une grandeur sans unité comprise entre 0 et 1. Dans le cas des moteurs utilisés sur des voitures électriques, ce dernier est de l’ordre de 0.97. Si on le compare avec celui d’un moteur thermique (à essence), qui varie de 0.1 à 0.2, on prend conscience de l’intérêt de ces moteurs.

Exemple, un moteur électrique absorbe une puissance Pa de 30kW, et affiche un rendement de n = 0.97.

On aura donc une puissance effective Pe = 0.97 x 30 = 29.1kW

0.9 kW ont donc « disparu » lors de la conversion d’électricité en énergie mécanique, sous forme d’énergie calorifique. C’est très faible, puisque sur un moteur à essence de même puissance, on aurait perdu :

Pe = 29.1 et n = 0.15

P(perdue) = 29.1/0.15 – 29.1 = 164.9kW

Cela implique un système de refroidissement bien plus réduit (et léger) sur une voiture électrique.

Cette puissance est consommée lors de l’accélération. Selon la première loi de Newton (principe de l’inertie), on pourrait se dire qu’à vitesse constante, la voiture (électrique ou non) ne consomme rien. Bien sur, c’est faux. La consommation est d’une part due aux frottements mécaniques après le moteur (transmission, contact roues/route), et à la résistance de l’air.

On peut modéliser cette résistance à l’air par l’équation :
F = ½ Cx * Mv(air) * S * v²

Cx : coefficient aérodynamique sans unité, de 0.32 à 0.5 selon la carrosserie.

Mv(air) : Masse volumique de l’air : environ 1.2kg/m3

S : surface au vent du véhicule : 1,7 à 3 m2

v : vitesse, en m/s

Si l’on fait une analyse dimensionnelle sur les unités :

Kg/m3 * m2 * m/s * m/s

« = » (kg * m2 * m * m) / (m3 * s * s)

« = » kg.m/s²

La force s’exprime donc en kg.m par seconde au carré, ce qui est l’équivalent du Newton (N).

Par la suite, pour calculer la « consommation » due à ces frottements, on multiplie cette force par la vitesse :

P = F * v

La encore, analyse dimensionnelle :

N * m/s

« = » W
(En effet, un newton mètre par seconde correspond à un watt.)

Exemple global :

Véhicule moyen roulant à 130 km/h :

Cx = 0.4

S = 2m²

v = 36m/s

Puissance souhaitée du véhicule : 100 chevaux vapeur, soit 74kW (voir tableau de conversion cv/watt)

Puissance souhaitée des équipements annexes : 3,5kW

F = 0.5 * 0.4 * 1.2 * 2 * 36 * 36

622 N

P = 622 * 36

22.4 kW

Le moteur devra donc être en mesure de délivrer (74+22.4)=96.4kW.

Si son rendement est de 0.97, sa on devra lui "envoyer" 99.4W. Et donc au total, on devra installer des batteries capables de délivrer (99.4+3.5) = 103kW.