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Nature Humaine
Théorie>Electricité>Véhicule électrique

Première version: 10/01/2010
Dernière version: 2015-05-23

Le véhicule électrique

Sommaire de la page


Préambule

Appliquons maintenant utilement ce que nous avons vu dans la partie électricité pour motoriser et piloter un véhicule électrique.
C'est plus une discussion sur les différentes solutions possibles pour fabriquer un véhicule électrique, sur les différentes contraintes de ce dernier, et les calculs pour dimensionner les différents équipements.

Contraintes du véhicule électrique

Champ d'application du véhicule électrique

Le véhicule électrique est principalement destiné à un usage de proximité (urbain, campagnes proches) à cause de son autonomie réduite (de 60 à 150 kms, pour ne pas avoir des batteries trop lourdes et trop chères).
Au delà, il faut soit des condensateurs très denses (nanotechnologie) ou des bobines haute capacité, ou des volants à inertie (3 procédés très dangereux et loin d'être finalisés) qui peuvent se charger en moins de 3 minutes à très haute puissance, donc recharge régulière le long du trajet, soit un groupe électrogène de faible puissance (4 kW max) qui recharge dans les temps mort, mais n'est pas adapté à de longs trajets sur autoroute à vitesse élevée constante (pas de phases de rechargement à part la demie heure de repos toutes les 2 heures).

Si vous faites tous les jours un trajet aller-retour de moins de 50 km en ville, alors vous avez tout intérêt à prendre une deuche et à la dédier au trajet quotidien. Gardez-en une "normale" sous le coude pour les vacances!
En effet, quand on y réfléchit bien, en ville la vitesse est limitée à 50 km/h, et l'on passe une grande partie de son temps dans les embouteillages à polluer inutilement l'atmosphère. Sans compter les petits trajets de moins de 4 kms où le moteur thermique est froid et consomme alors beaucoup de cette "chère" essence, alors que le moteur électrique ne consommera pas plus à froid, ne consommera rien à l'arrêt au feu rouge ni dans les embouteillages, qui prennent alors une dimension moindre (on écoute la radio, on bouquine tranquillement, etc...).
Une voiture électrique met moins de 10 s pour atteindre les 50 km/h, coûte au max 2 euros d'électricité aux 100 kms, peut atteindre les 100 km/h sur voie rapide, l'autonomie est de 150 kms à 50 km/h, ne fait pas de bruits, et se recharge le soir en rentrant du boulot pendant 7 heures (prise de 230V/16A dans son garage). En recharge rapide on peut récupérer 20 kms d'autonomie en 10 minutes.

Avantages

Inconvénients

Permet de réaliser sans problème un trajet urbain
Se recharge la nuit quand on ne s'en sert pas
Pas de bruit
Moins de stress dans les embouteillages
Economie de transport
Beaucoup moins de maintenance (vis platinés, vidange..)
Fiabilité accrue (si montage bien fait!)
Moins de pollution (carburant, huile moteur, chaleur,..)

Nécessite un garage ou une borne de recharge
Manque d'autonomie pour les longues distances
Temps de recharge
Nécessite la possession d'une voiture supplémentaire
Les piétons n'entendent pas venir
Installation d'un chauffage additionnel
Changement des balais du moteur (si moteur CC)
Le coût d'installation de 5 000 euros (+2000 euros Coût des batteries sur 5 ans)
Charge utile et volume diminués par le poids des batteries

Conduite spécifique

Sur le tableau de bord, le compteur de vitesse est toujours là. A la place de la jauge d'essence, une jauge marquée en pourcentage. A partir de 20 % de charge des batteries, il vaut mieux faire le plein d'énergie.
De même, un indicateur supplémentaire, l'ampèremètre, une petite aiguille se déplace vers la droite quand on appuie trop sur la pédale et que l'intensité consommée augmente (couleur rouge). A contraire, quand l'aiguille se décale vers la gauche dans le vert, la voiture fabrique de l'électricité, soit en descente soit en décélération. Au milieu, il n'y a ni production ni consommation d'électricité, la voiture est arrêtée.

Si la boîte de vitesse est conservée, il faut manipuler les vitesses pour rester dans la zone de meilleur rendement du moteur.
Comme le couple de démarrage est très élevé, on peut démarrer en première (plutôt en seconde voir en troisième, les rapports d'origine étant bien trop court pour le couple du moteur électrique) sans débrayer (le moteur étant coupé au changement de vitesse). On retrouve ainsi le fonctionnement de l'embrayage centrifuge, bien utile dans les embouteillages ou les concentres!

S'il n'y a plus de boîte de vitesse, le niveau d'enfoncement de la pédale d'accélérateur gère la tension appliquée au moteur, donc à sa vitesse de rotation. Si la pédale est plus enfoncée que la vitesse actuelle, un courant supérieur sera absorbé par le moteur, qui va accélérer pour retrouver la vitesse de consigne indiqué par la tension appliquée. Plus la pédale est enfoncée par rapport à la vitesse actuelle, plus il y aura de courant et plus ça accélère (car plus on met de puissance), on retrouve ainsi le fonctionnement thermique où l'enfoncement de l'accélérateur relâche la puissance moteur.

Sur l'accélérateur relâché, plus de tension envoyée au moteur, ce dernier qui tourne plus vite que la vitesse de consigne, générant ainsi une surtension dans les bobinages qui est utilisée pour recharger ms batteries, c'est le frein moteur qui ralenti le véhicule. Là encore en fonction de l'intensité envoyée dans les batteries (prédéterminée dans le contrôleur) on règle le frein moteur. On peut même envisager de ne rien recharger du tout et alors on se coupe complètement de la conduite en thermique, la voiture se retrouvant en roue libre. Mais je pense qu'il est mieux de se servir de la pédale d'accélérateur comme d'un indicateur de la vitesse désirée. Le freinage devra être plus important plus l'accélérateur sera relevé par rapport à la vitesse actuelle.

Ainsi, sur un freinage, le relâchement brutal de l'accélérateur entrainera un freinage électromagnétique brutal, anticipant ainsi le freinage vigoureux qui normalement devrait suivre.

La pédale de frein est dotée au début de sa course d'un capteur mesurant l'enfoncement et permettant d'augmenter encore le ralentissement par récupération de l'énergie par le moteur transformé en alternateur. Le blocage total des roues sera assuré par le système de freinage mécanique du véhicule, augmentant ainsi les performances du véhicule.

Construction mécanique

Quelques VE se passent de la boite de vitesse et de l'embrayage, ce qui rend son utilisation plus conviviale. De même, son démarrage puissant lui permet de bien s'insérer dans la circulation, et d'avoir un moteur arrêté dans les embouteillages.
Malheureusement, cette simplicité sans réducteur se paye, car les démarrages et la grande plage de vitesse se font au détriment du rendement, par exemple grimper des côtes avec un moteur sans réducteur donc sur une mauvaise plage de rendement diminue l'autonomie.
Heureusement, avec les variateurs de tension modernes, il est possible de piloter la tension en entrée du moteur et de n'avoir des pertes de rendement que de 20% maximum.
Mais il n'est pas sûr que sur les extrêmes de la plage de vitesse la baisse de rendement ne soit pas supérieure. De plus un moteur qui doive supporter des vitesses de 0 tr/min à 1500 tr/min en exerçant un couple important risque d'être moins bon en rendement qu'un moteur prévu pour une plage de fonctionnement plus faible. Sans parler du couple sans réducteur au démarrage qui doit être de 50 daNm (couple énorme, très dispendieux en ampérage), alors qu'une boite classique avec une réduction d'1/10 ne nécessite que 5 daNm. Un gros couple au démarrage (donc grosses bobines) est incompatible avec un gros couple à haut régime (les grosses bobines n'ont pas le temps de se charger).

La clé de l'autonomie de la voiture électrique est la récupération d'énergie. En effet, si on récupérait 100% de l'énergie fournie, on arriverait à une autonomie doublée en ville. Pas une autonomie illimitée, car les pertes par frottement et de résistance de l'air sont irrécupérables, étant transformées en chaleur. Seule l'énergie cinétique et l'énergie potentielle de pesanteur sont récupérables. Plus on roule vite (sur autoroute par exemple), plus les pertes irrémédiables sont élevées. En ville ou en montagne, ces pertes irrémédiables sont moindres, et la récupération d'énergie prends alors tout son sens.

La recharge lors des freinages augmente l'autonomie en permettant de ralentir le véhicule grâce à un alternateur (souvent le moteur même qui fonctionne en générateur). Malheureusement, les batteries ne peuvent supporter un fort courant de charge, et seule 10 à 20% de l'énergie du freinage est récupérée, au détriment de la durée de vie des batteries qui s'abiment plus vite.
Ce pourcentage peut être amélioré grâce à l'utilisation d'un stockage rapide (super condensateurs, bobines hautes capacité, volant à inertie) qui se déchargent ensuite progressivement dans les batteries et dans le moteur. Ces stockages rapides peuvent aussi être utilisés par la suite lors des grosses accélérations, de par leur propriété à débiter plus de puissance qu'une batterie.

Une voiture électrique dépassant les 110 km/h n'a pas vraiment de raisons d'être, les autoroutes n'étant pas son point fort (à moins toujours de disposer de stockage rapide).

Entretien

Comparé aux véhicules thermiques, l'entretien du moteur est quasiment réduit à néant (seuls les roulements moteur seraient à changer à 1 millions de kms), et l'usure des freins et pneumatiques est réduite aussi grâce à la recharge lors des décélérations.
Un surpoids trop important en batterie peut accroître l'usure des roulements de bras et de roues, ainsi que l'usure des pneumatiques (surtout en virage) et des suspensions.

L’entretien courant porte surtout sur les batteries de traction.
Par exemple, pour les batteries Nickel-Cadmium des véhicules Peugeot-Citroën des années 90, il faut faire régulièrement une remise en eau accompagnée d'une décharge puis charge.

Origine de l'énergie électrique

On peut etre tenté d'utiliser l'énergie solaire ou éolienne plutôt qu'EDF pour charger ses batteries, ça coûte encore moins cher!

On peut rajouter les panneaux photovoltaïques ou une éolienne sur le véhicule, mais poids et prise au vent supplémentaire (donc surconsommation) et risque de vol ou de casse. Et c'est pas sûr que là où le véhicule est garé on recoive plein de lumière ou que le vent soit optimal.
Cette solution ne serait envisageable que si on ne rentre pas chez soi le soir, donc lors d'un voyage où l'on voudrait disposer d'un moyen de recharge autonome, ou encore s'il manque quelques Wh pour rejoindre son chez soi le soir, et qu'il n'y a pas de bornes électrique là où on se gare en journée. Mais ce serait étonnant qu'une journée suffise à vous donner de quoi rentrer. Dans le cas où les générateurs électriques sont sur la voiture, pour un panneau solaire il faut l'intégrer à la carrosserie sinon la prise au vent consommera plus que ce que ça va vous donner, et l'éolienne est strictement interdite (l'éolienne prendrait de l'énergie à la voiture, avec un rendement inférieur à 1 donc énergie dépensée inutilement. Pour les cas de freinage une régénération avec le moteur électrique est bien plus simple qu'une éolienne qui sort de son logement lors des freinages!).

Le mieux est donc d'installer les panneaux photovoltaïques ou l'éolienne chez soi, à l'endroit où la récupération d'énergie sera optimale, pour stocker l'énergie le jour dans une batterie au plomb et la restituer le soir au véhicule. La perte de rendement apportée par le stockage dans des batteries plomb est minime, le niveau de charge n'étant pas élevé et le rendement de charge plutôt bon. Seule la décharge de la batterie, plus rapide que la charge, va dégrader le rendement de l'ensemble. Estimons la chute de rendement de 10 %. C'est moins que la surconsommation apportée au véhicule par le sur-poids des panneaux photovoltaïques ou de l'éolienne. Le véhicule est plus léger, plus de charge et de volume utile, et l'énergie récupérée supérieure car on peut imaginer une éolienne de 20 m de haut, in-envisageable sur une voiture...

Le principe est donc de charger chez soi le jour, en mettant l'électricité dans une batterie plomb, puis avec un onduleur repasser en 220 V alternatif comme sur le réseau domestique et ensuite brancher dessus le chargeur d'origine de la batterie de traction du véhicule.
Ca ressemble à une usine à gaz et les pertes de rendement, 0,95 (charge lente batterie plomb)*0,9 (décharge rapide batterie plomb)*0,99 (régulateur solaire qui surveille le tout)*0,90(convertisseur 12 – 230 V) = 76% de rendement dans le pire des cas.

Dans le cas d'un vélo électrique, 2 valises solaires 13W (125 à 75 euros chez Conrad, sur e-bay on les trouve à 50 euros en moyenne, voir à 35 euros en promo chez Auchan) + un régulateur solaire 12 V à 40 euros (empêchant la décharge trop profonde de la batterie plomb quand on recharge celle du véhicule, et empêchant les panneaux solaires de faire bouillir la batterie plomb quand elle est pleine)+ un convertisseur tension (onduleur) 12-230 V automobile à 150 W à 30 euros + une batterie plomb (75 Ah à 100 euros en moyenne), ça nous fait l'installation à 220 euros à peu près, pour du 26 W au total.
Il est possible d'acheter des kits 100 W pour 500 euros à peu près.

Les 2 panneaux solaires sont branchés en parallèle sur le régulateur (on reste ainsi en 12V), qui va couper une fois que la batterie est déchargée, et peut couper aussi le convertisseur si il décharge trop profondément la batterie plomb lors de la charge de la batterie du véhicule le soir.

Pour un vélo électrique :
26 W * 10 h en moyenne * 0,8 (rendement du plomb chargé doucement) = 208 Wh, on peut ainsi estimer à 200 Wh récupérés en été par beau temps, 100 à 150 Wh récupérés en hiver ou par mauvais temps.
Le chargeur d'un vélo électrique monte à 90 W pour les grosses batteries et chargeur chinois peu optimisé, donc un convertisseur 150 W suffit.

Les consommations journalières sont en général sous les 200 Wh, donc l'installation décrite ci-dessus passe. Si jamais on consomme un peu plus chaque soir que ce qui est rechargé, les 2 jours du week-end où on ne recharge pas suffisent amplement à remplir de nouveau la batterie. Et si vraiment ça ne suffit pas, on peut envisager de recharger sur le secteur le jour où la batterie est vraiment vide!

Où recharger les batteries

Pour recharger les batteries :

- Charge lente (courant 16 A max, entre 6 et 10 heures, en général toute la nuit pendant les heures creuses):

- chez soi sur une prise classique 230 V, 16 A (limite 3000W à 13 A, le 16 A ne devant excéder 30 minutes sans repos, ou alors passer sur des prises 20 A) ou 10 A (moins risqué pour les installations vétustes)
- sur une prise dans un camping, un café, etc. (voir ceux qui ont fait la route de la soie en scooter électrique)
- sur une borne de charge implantée sur la voie publique, dans certaines villes :

-  à Paris, voir la carte fournie par l’Espace Mobilités Électriques (www.espacemobelec.fr)
- à La Rochelle

- Charge rapide (80 % de la charge en 30 minutes), pas tout le temps car ça diminue la durée de vie des batteries

- sur des prises dédiées, mais qu'il est encore dur de dénicher...

Gestion des batteries

Les batteries NiCad sont les plus costaud de toutes, on les recharge quand on veut, on les décharge à fond, seule contrainte ne jamais les laisser charger à bloc sans rouler 600 m, et prévoir une décharges profonde de temps en temps en cas de biberonnage.
Pour les autres batteries (Plomb, Ni-Mh, Lithium) : Le but est de rester en dessous de 80% si on ne roule pas tout de suite, et de décharger le moins possible. Par exemple, on peut charger à bloc et rouler de suite derrière, si on recharge à 80% de charge la batterie tiendra 200 000 kms, à 60% de décharge elle ne tient plus que 120000 kms, etc.

Capacité des batteries

Les cellules ne sont pas les mêmes, et il y a plus d'une centaine de cellules dans une batterie. Surtout sur du lithium c'est la cellule de plus faible capacité qui détermine la capacité du pack.

Une cellule basse en tension en fin de décharge est celle qui a arrêté la décharge (si on était descendu plus bas cette cellule était morte et foutait le feu à toutes les autres encore bonnes).

Lors de la recharge, vu que c'est elle qui a la plus basse capacité c'est elle qui va atteindre avant toutes les autres cellules la tension la plus élevée, et donc arrêter la recharge (sinon elle fout le feu à toutes les autres...).

La quantité d'électron que l'on a stocké dans tous les éléments du pack sera celui stocké dans cette cellule.

Il est donc inutile d'équilibrer les cellules, sauf peut-être lors de la première charge (et ensuite de temps en temps) histoire de monter toutes les cellules à leur max de tension histoire d'avoir une tension totale de pack supérieure (ce qui est mieux pour le rendement lors de la décharge, le courant étant moins élevé sur les premiers mètres). Cet équilibrage se fait en shuntant les cellules les plus faibles pour qu'elles ne recoivent plus de courant, pendant que les meilleures cellules continuent de se charger.

Il serait aussi possible de shunter la cellule la plus faible en fin de décharge pour utiliser l'énergie restante dans les cellules les plus fortes, mais outre le fait que les cellules ne doivent pas trop être dépareillées et donc que l'énergie serait faible, ça impliquerait de faire des shunts détournant des courants de 100 A (et ça sur chacune des centaines de cellules) au lieu de 5A en charge, ce qui donnerait le BMS au prix de l'or pour pas grand chose de résultat.

Prolongateur d'autonomie

L'autonomie demandée à 80% du temps sera de 50 kms maxi. Mais les rares fois où on voudrais plus?
Au lieu de rajouter des batteries lourdes qui consommeraient en permanence du fait de leur poids et alourdirait le budget d'utilisation, il est mieux de prévoir un petit groupe électrogène de 2 kW, SDMO en fait de très bon à 20 kg et qui ne font pas de bruit. Avec un transformateur, on se branche directement sur la batterie, et si le moteur demande plus le générateur plus la batterie se déchargent dans le moteur, sinon le générateur se décharge dans les batteries. Ça complexifie pas mal l'électronique de gestion.
Si on veut un générateur plus puissant, il faut le dimensionner sur la conso moyenne (par exemple, si on veut 300 kms d'autoroute, il faut se limiter à 80 km/h (vitesse mini) soit 9 kW de générateur, ça commence à prendre de la place) et si trop encombrant le mettre sur une remorque, qui serait appelée prolongateur d'autonomie. Mais la remorque entraîne une surconsommation, c'est alors 10 kW qu'il faut prévoir.
Il est impératif de soigner le rendement du moteur thermique et de la génératrice, les groupes électrogènes modernes commencent à intégrer ces notions.
Si on veut prolonger sur des routes secondaires avec arrêts pour visiter, il faut mesurer la conso moyenne arrêt compris, on tombe plus à 5 kW dans ce cas-là. Le générateur peut être intégré au véhicule.
Sur un parcours urbain, la puissance moyenne (avec les arrêts au feu, les décélérations, etc.) est plus proche des 3 kW. Mais c'est rarement sur ce type de circuit qu'on aura besoin d'un prolongateur d'autonomie, à moins d'être coursier en ville. Mais à ce moment-là il est plus judicieux de s'orienter vers une extension de batteries.

Le prolongateur serait donc un groupe électrogène en 220 V, avec un transformateur redresseur pour le descendre à la tension de la batterie en courant continu. Il faut un dispositif de régulation de courant pour la recharge, avec diminution du courant fourni puis arrêt une fois les batteries pleines.

Dispositifs de pic de puissance

Lors des freinages ou des accélérations, les batteries absorbent ou génère beaucoup de puissance, ce qui est préjudiciable au rendement de charge et de décharge, donc à l'autonomie du véhicule, de même qu'à la durée de vie des batteries. C'est pourquoi il est nécessaire de prévoir un dispositif à charge et décharge rapide comme un supercondensateur ou une bobine supraconductrice, ou encore un volant d'énergie.

Les prix

C'est plus cher qu'une voiture thermique, principalement car dans notre système capitaliste, le prix est établi à partir de ce que les clients peuvent mettre dans le produit, pas dans sa valeur réelle.
Pour le véhicule électrique, l'argument prix est que le carburant est payé moins cher, le vendeur s'arrange donc pour que l'amortissement du véhicule se fasse sur 10 ans ou plus. Dans la pratique, un véhicule électrique comparé à un véhicule à essence ne sera jamais amorti (du moins avec les prix actuels de 2010).

Le type de moteur influe dans une marge de 1000 euros sur le prix du véhicule. Le prix des batteries peut influer dans une marge de 8000 euros, suivant la quantité et le type des batteries.

Le fait que les véhicules électriques sont encore fabriqués de manière artisanale explique aussi en partie les prix élevés. La marge du vendeur diminue fortement, il va préférer vendre une voiture thermique dont il maitrise les coûts de fabrication, et surtout plus rentable en terme d'entretien après vente.
Le fait que les constructeurs automobiles rapportent beaucoup à l'état avec leur marge de fou explique les lois et protections abusives de l'administration, empêchant de voir apparaitre un fabricant low-cost automobile, comme on le voit dans différents pays.

La voiture électrique coûte plus cher à produire qu'une thermique. La marge (différence entre prix de vente (maximum de ce que la majorité des acheteurs potentiels mettront dedans) et coût de fabrication) étant moindre que pour une thermique, le prix de vente ne pouvant être dépassé sous peine de ne plus en vendre, les coûts de production sont tirés au maximum. La qualité est inférieure à une thermique.

A côté de ça, on voit l'Ademe offrir 5000 euros pour l'achat d'une voiture électrique, facile quand personne n'en vends! Dès que les premières apparaissent, la prime tombe à 2000 euros...

Pour résumer, une voiture électrique c'est cher à l'achat, pour une prestation de confort et de praticité inférieur à une voiture thermique.
Les batteries sont chères, et s'usent vite. Le gain sur le prix de l'électricité ne permet même pas d'amortir la batterie (elle sera à changer avant d'être amortie). Imaginez alors le prix d'achat de la voiture.

Calculons l'économie apportée par rapport à une voiture essence :
Avec un prix à la pompe de 1,30 euros (prix 2010, très taxé...) et une conso moyenne de 5 l/100, on a 6,5 euros aux 100 kms.
Avec un prix au kWh de 0,2 euros (pas encore taxé...) et une conso moyenne de 10 kWh /100, on a 2 euros aux 100 kms (je ne prend pas le cas le plus avantageux du kWh EDF, mais un prix réel mesuré sur ma facture d'électricité, puissance mini de 3 KW, pas d'option nuit). Et encore, les consommations relevées sur les VE des années 90 sont plutôt de l'ordre de 15 à 20 kW pour 100 kms...
Soit une différence de seulement 4,5 euros aux 100 kms dans le meilleur des cas pour l'électrique, il faudra faire 180 000 kms pour amortir une batterie de 8 000 euros. Sachant qu'en général il faut changer la batterie à 80 000 kms...

Bilan écologique et énergétique

Une voiture électrique est aussi polluante à fabriquer qu'une voiture thermique, mais ensuite elle ne consommera pas d'huile ou d'hydrocarbures, et ne rejettera pas en ville de polluants.
Les centrales électriques excentrées et polluantes car fonctionnant avec des hydrocarbures ou charbon seront dotées de filtres en sortir de cheminées limitant l'émission de particules toxiques dans l'air.
Les batteries pourraient aussi être utilisées comme stockage de l'énergie nucléaire que l'on ne peut ralentir la nuit.
De plus, avec le rendement global de la chaîne électrique bien meilleur que pour le thermique, il faut moins d'énergie par kilomètres pour les véhicules électriques. Même si les lobbys pétroliers essayent de faire croire le contraire. Mais je vais pas vous gaver plus avec ces guéguerres stériles.


Techniques utilisées

Choix du moteur

3 possibles :
- le moteur synchrone sans balais (autopiloté) dit brushless, le plus cher, meilleur rendement.
- le moteur asynchrone, rendement moins bon, surtout en générateur, mais moins cher au niveau contrôleur que le moteur sans balais et pas d'usure des balais.
- le moteur à courant continu (à collecteur), le plus simple, le moins cher, rendement correct, mais usure des balais. En voie de disparition.
- le moteur synchrone à rotor bobiné, le plus facile à commander au niveau électronique, mais rendement mauvais.

C'est le moteur synchrone sans balais à inducteur à aimants permanents (MSAP) qui sera préféré (voir la page sur l'électrotechnique pour les détails techniques de ce moteur).
Avantages de ce moteur : rendement (l'inducteur, constitué par des aimants permanents, ne consomme pas de courant inutile), poids léger (si utilisation d'aimants suffisamment puissants).
Désavantage : coût et complexité (aimants efficaces mais chers et difficiles à manipuler, contrôleur complexe à mettre en oeuvre et utilisant des IGBT encore assez chers).

Un moteur MSAP, à puissance équivalente, est plus léger de 70% qu'un moteur thermique et ses accessoires (sans parler du poids de l'essence).

C'est le moteur électrique le plus léger et le plus efficace. Il devrait peser 30 kg pour 15 kW nominal, 20 kW en crête.

Le MSAP nécessite un contrôleur, qui se charge dans sa partie hacheur de faire varier la tension d'alimentation du moteur (donc la vitesse moteur et le couple demandé), et dans sa partie distributeur de répartir l'alimentation entre les différentes phases, tout en gérant l'avance à la phase.

Montage du moteur électrique

Le montage dans une 2cv est facilité par le fait qu'il n'y a pas dans la 2cv d'assistances mécaniques comme le freinage assisté, la direction assistée, de capteurs en tout sens, etc. Il n'y aura donc pas de pompes auxiliaires d'énergie à installer. Seul le chauffage nécessitera l'installation d'un chauffage au gaz auxiliaire (hors de question d'avoir un chauffage électrique, ce mode de chauffage est tellement mauvais (rendement de 100% tout de même) qu'il vous bouffera toutes vos batteries en quelques minutes, pour un résultat médiocre). Ou alors on adopte la conduite "born to be wild" et on met des gants comme sur une moto... tout en sachant que c'est beaucoup moins extrême qu'une moto, l'habitacle offrant une bonne isolation thermique et un bon coupe vent.

Comme les moteurs électriques ont eux aussi leurs plages de fonctionnement, ainsi que pour éviter des régimes trop élevés qui seraient néfastes à leur longévité, on conserve la boîte de vitesse d'origine, ainsi que l'embrayage pour faciliter le passage de vitesse (en théorie il est possible de s'en passer en coupant le couple du moteur le temps de passer les vitesses).
D'après les essais de l'électrodyane, il est moins énergivore de démarrer embrayage en prise qu'en faisant patiner l'embrayage.

Sur les 2cv, le plus facile est d'installer le moteur électrique à la place du moteur thermique, l'embrayage étant conservé, bien que la réalisation finlandaise utilise une pièce intermédiaire pour se passer de l'embrayage.

Choix de la source d'énergie

La tension d'alimentation de la plupart des moteurs est normalement de 96 V. Cette tension est atteinte de la même manière que l'armée à monté la tension de la méhari d'origine à 24 V : en mettant en série des batteries jusqu'à ce que la somme de leur tension dépasse les 96 V. Par exemple, aligner 8 batteries de 12 V en connectant le moins de l'une au plus de l'autre élèverait la tension entre le plus de la première et le moins de la dernière à 96V.

La sécurité électrique attribue le plus bas niveau de protection pour le courant continu à moins de 100 V, c'est surement pour ça que les voitures grands public restent sous cette tension. Pour les vélo électrique et le contrôleur découplé du moteur, le seuil est fixé à 50 V car on est en alternatif. Voilà pourquoi on reste sous 48 V.
 
Pour que ce soit moins cher, on peut utiliser les batteries au plomb du commerce. Si les dernières générations ont une capacité de plus en plus respectable (40 Ah pour 10 kg), elles font moins bien que leur homologues au Lithium-ion, ou les nouvelles polymères. De plus, elles ont un gros défaut, c'est qu'elles ne sont pas prévues pour être déchargées. Normalement, elle ne débite qu'un peu histoire de lancer le moteur, puis elles sont tout de suite rechargées par l'alternateur. Or, si elles se déchargent, les plaques à l'intérieur vont s'abimer et on ne pourra plus les recharger qu'à 80 % de leurs capacité. Si on les déchargent encore, elles ne se rechargeront plus qu'à 80% des 80% précédents, etc. si on les déchargent de nouveau. Autant dire qu'elles ne tiendraient pas longtemps dans l'usage auquel on les destinent.
Dans la pratique, on les décharge à 70% de leur capacité, donc une 75 Ah (trouvées dans le commerce en 2009) ne pourra sortir que 75*0,7 = 52,5 Ah. Sachant que les batteries se déchargent bien au début (les moteurs ont de la pêche) mais qu'une fois descendus à 80 % de leur capacité les performances s'effondrent.

Les batteries au lithium-carbone ont une puissance massique de 120 Wh/kg, et une durée de vie de 1 000 cycles de charge/décharge (si on compte 2 cycles par semaine, et 48 semaines travaillées par an, cela nous emmène à 10 ans de durée de vie!).

Calculs sur les véhicules électriques

Rappels chiffrés sur le fonctionnement d'une 2cv (chiffres très arrondis ou donnés à la louche) pour établir un cahier des charges. Nous partirons sur les cas extrêmes pour déterminer les puissances et couples maxi que l'on pourra rencontrer lors du fonctionnement de la voiture.

Comme la configuration retenue n'est pas encore choisie (boite ou moteur roue) nous verrons les contraintes dans les 2 cas. Comme nous le verrons, l'utilisation d'une boite de vitesse + embrayage diminue fortement les contraintes exercées sur le moteur.

Régime moteur

D'après les calculs vus ici, la vitesse de rotation des roues ne dépassera pas 1350 tr/min, mais plus simplement on peut partir sur une rotation des roues de 1000 rpm à 110 km/h.
Le moteur thermique tourne au maxi à 5800 rpm avec la boite d'origine (mais le couple supporté est beaucoup moins grand).
La vitesse mini est de 500 rpm, car l'embrayage permet de patiner et de relier une BV à l'arrêt à un moteur tournant déjà.

Sans réducteur, le moteur doit aller de 0 à 1000 rpm.

Avec boite de vitesse et embrayage, de 500 à 5500 rpm.

Couple moteur

Prenons le cas extrême du démarrage en côte.
D'après les calculs vus ici, pour gravir une pente de 45 % , le couple à exercer sur la roue de la 2cv en 15 pouces est de 930 N.m pour une méhari à mi-charge.

Ce couple doit être exercé au démarrage, à 0 rpm s'il n'y a pas d'embrayage, à 500 rpm avec embrayage.

Sans réducteur, le moteur doit fournir 900 N.m à 0 rpm.

Avec boite de vitesse et embrayage, seulement 50 N.m à 500 rpm (soit le couple d'origine).

Puissance maxi

Nous nous appuierons sur les calculs vus ici.

Prenons le cas extrêmes de la vitesse maxi, posons là à 100 km/h, au delà l'aérodynamisme de la deuche et plus encore de la méhari est trop mauvais, et consommerais trop vite les précieux kWh, alors qu'en thermique ces kWh sont bien moins précieux. Pour respecter les performances originales du 602, il faudrait un moteur de 22 kW. Mais pour diminuer la quantité d'énergie embarquée (l'énergie électrique est 34 fois plus lourde que l'énergie sous forme d'essence), on diminuera la vitesse maxi à 100 km/h.

Pour une voiture plus aérodynamique et plus moderne, à 100 km/h, les chiffres sont plutôt de 7kW pour la résistance de l'air et 3kW pour les frottements, soit un moteur nécessaire de 10 kW.

D'après les essais des 2cv en électrique, une puissance de 15 kW voir moins suffit à atteindre le 100 km/h.

Méhari bâchée, le moteur, fonction d'une vitesse max à 90 ou 100 km/h, sera entre 15 et 18 kW (à reprendre avec les calculs aérodynamiques entre pare-brise baissé et baĉhé, en autorisant peut-être une limite bâchée à 90 km/h sur autoroute, pour rouler comme les camions).

Consommation électrique

Développer les calculs sur la puissance consommée.

Avec la régénération et un système possédant un bon rendement, il doit être possible de consommer en moyenne moins de 100 Wh/km. Résultats obtenus par la Dyane Donnier.

Énergie à stocker - Autonomie

Posons 50 km d'autonomie à 50 km/h (répondant à la plupart des cas en milieu urbain, aller et retour dans la journée sans recharge), il nous faut, en partant sur une conso de 100 Wh/km, environ 100*50 = 5 kWh.

Pour 100 kms d'autonomie il nous faut le double, soit 10 kWh.

Temps de rechargement et extension d'autonomie

Au delà de 50 kms d'autonomie, je propose d'embarquer un groupe électrogène de 2 kW et de moins de 30 kg, les SDMO bleus sont très silencieux.
A 100 Wh/km, ça nous fait une puissance instantanée à 50 km/h de 5 kW, il faudra donc prévoir des arrêts pour recharger les batteries entretemps car le groupe électrogène en instantané ne rechargera même pas la moitié de la consommation.

En partant sur une batterie de 5 kWh sous 100V, soit à 0,5 C de recharge une puissance de recharge de 2,5 kW (un groupe électrogène moyen de 25 à 40 kg) il faudra pour recharger les 5 kWh un temps de 5 / 2,5 = 2 h.
Sur autoroute, en dépensant 10 kW (à 100 km/h pare-brise baissé), avec le groupe à 2,5 kW, soit 7,5 kW qui sortent de la batterie, on va décharger la batterie en 5kWh/7,5kW = 0,66 h => 0,66 *60 = 40 minutes, donc 100*0,66 = 67 kms.
Grosso modo, il faudra s'arrêter tous les 70 kms pour recharger 2 h.
Sans le groupe électrogène, j'ai 5kWh/10kW = 0,5 h soit 30 minutes d'autonomie, 50 kms.
L'extension d'autonomie apportée par le groupe électrogène n'est pas négligeable.
Imaginons un groupe de 4 kW (limite haute des groupes électrogènes pour le particulier, aux alentours de 50 à 60 kgs) :
5kWh/6 kW = 0,83 h, soit 50 minutes et 83 kms, pour toujours 2 h de charge (on s'interdit une charge rapide qui diminue la durée de vie de cette chère batterie!).
L'augmentation de poids et de conso ne semble pas justifier le passage à un groupe électrogène supérieur. Restons à un groupe électrogène de 2,5 kW nominal.
Calculons le temps de recharge pour chaque km supplémentaire à 100 km/h : => 10 kW pendant 1h => 10kWh/100km=> 100Wh/km.
Pour recharger 0,1 kWh à 2,5 kW il faut 0,1/2,5 = 0,04 h=> 2,4 minutes pour recharger 1 km.

Prenons par exemple le groupe électrogène INEO 3000 de la société française SDMO, avec un moteur thermique optimisé en consommation et une génératrice avec contrôle en sortie Inverter assez efficace, de même qu'un poid, encombrement et bruit contenus :

Caractéristiques générales d'un groupe électrogène :

Moteur thermique :

Puissance max moteur = 3 kW pour 128 cm3 4 temps
Essence sans plomb capacité 4,3 l, huile 15W40 capacité 0,5 l
Consommation essence 1,3 l/h à 2,1 kW électrique (puissance nominale)
Démarrage au lanceur et starter manuel, sécurité absence d'huile.
Gestion de la puissance moteur / puissance électrique demandée automatique
bruit assez faible 73 dB(A) à 7m, 83 dB(A) à 1m, mais relativement silencieux en comparaison avec les autres groupes électrogènes de puissance comparables.

Alternateur :

Puissance max électrique = 2,6 kW ou kVA
Puissance nominale électrique = 2,1 kW ou kVA
cos Phi de 1 (pas de pertes de puissance électrique)
2 prises 16 A Monophasé 230 V 50 Hz (tension du réseau EDF)
Sortie 12 V - 5 A continu.
Tous les disjoncteurs des prises sont thermiques.
Nouvelle technologie de régulation électronique Inverter des alternateurs, très performante, garantissant la stabilité de tension et de fréquence du groupe à + ou - 1% de la valeur nominale.
Classe de protection électronique IP23, isolement classe H.
Possibilité de mise à la terre

Groupe électrogène dans son ensemble :

Aucun indicateur de fonctionnement, pas besoin de prévoir des raccordements au tableau de bord.
Poignée et roulettes
Longueur 59 cm x Largeur 30 cm x Hauteur 55 cm
Poids Net 25 kg
Etant prévu pour les campings ou les marchés, son usage doit rester occasionnel, ce n'est pas un engin de chantier pouvant travailler 8 h par jour 5 jours par semaine.

Poids des batteries et du moteur

A 100 Wh / kg (Lithium ion d'un prix correct), ça nous fait 50 kg de batterie pour 5 kWh embarqués (50 kms à 50 km/h).

Le but est de garder le même poids à vide que celui d'origine, si possible la même répartition des masses, pour ne pas modifier le comportement routier du véhicule et faciliter une éventuelle homologation.

On peut mettre 20 kg en remplacement du réservoir d'essence, le reste des batteries (30 kgs) sera placé à l'avant avec le moteur.
Le moteur thermique pèse 60 kg (sans compter l'échappement, les accessoires, etc.). Il faut le remplacer par 30 kgs de batterie ce qui nous laisse 30 kg pour le moteur électrique, ce qui est jouable.

Pour ne pas rajouter plus de 30 kg à la masse de la voiture, il faut alors contenir le poids du contrôleur et des supercapacité à moins de 30 kg, ce qui ce rapproche des conversions existantes sur 2cv.
Donc 20 kgs de batterie à la place du réservoir, 30 kgs de batteries autour du moteur, 20 kgs de moteur et 10 kgs de stockage rapide + controleur nous garderait une répartition des masses comme d'origine.

Énergies et puissances pouvant être récupérées

L'énergie récupérée et la puissance d'absorption permettent de dimensionner le moyen de stockage rapide d'énergie (regénération).

Mettre les calculs qui suivent dans Couple et Puissance.

Énergie et puissance contenues dans un freinage

Limite haute, à savoir une méhari chargée à fond (1100 kg, je ne prends pas le cas d'une remorque) et roulant à 130 km/h (=130*1000/3600=36 m/s). S'il faut freiner tout ça, on récupère l'énergie cinétique 1/2 mV² soit
E = 0,5 * 1100 * 36² = 712 800 J soit 198 Wh (la capacité d'une batterie de VAE).
S'il faut freiner l'ensemble en 4 secondes, ça nous donne comme puissance de restitution P = 713 kJ / 4s = 178 kW. Gasp, ça va être dur à tout récupérer!
Limite moyenne, méhari à moitié chargée (700 kg) à 80 km/h (22m/s), ce qui nous donne comme énergie :
E=0,5*700*22² = 169 400 j soit 47 Wh.
S'il faut freiner l'ensemble en 4 secondes, P = 42 kW
Limite basse, méhari à vide avec conducteur (600 Kg) à 40 km/h (11 m/s) :
E = 36 300 J soit 10 Wh (de quoi faire 1,5 km en vélo électrique quand même!) et pour un freinage sur 4 s => P = 9 kW.
Je devrais enlever de l'énergie récupérée celle utilisée le temps de freinage par l'aérodynamique et le roulement, mais comme les calculs sont très à la louche je vais négliger ce terme.
Pour résumer pour les freinages, une limite haute satisfaisante à 80 Wh et une puissance de 50 kW.

Énergie et puissance contenues dans une descente

Prenons l'exemple de la station italienne de Sestrière dans les Alpes pour descendre à Briançon en France, 18 km, 25 minutes (il n'y a que des virages), j'ai pas trouvé les altitudes sur la cartes (j'ai pas internet pour valider) mais en partant des sommets à côté on peut donner 2500 m pour Sestrière et 1200 m pour Briançon, ça fait 1300 m de dénivelé, soit, pour une méhari de 1100 kg,
E = mgz = 1100*9,81*1300 = 14 028 300 J soit 3 900 Wh et une puissance de 14 028/(25*60) = 9,352 kW.
Il faut enlever  l'énergie consommée par le roulement et l'air, soit à 60 km/h Efrott = (Froul+ Faero) * distance(18 000 m) = 500N*18 000m = 9 000 kJ
Ce qui nous fait 6 kJ à récupérer, soit 2 Wh. Finalement il ne reste plus grand chose à récupérer, la pesanteur servant surtout à vaincre les forces de frottement s'opposant à l'avancement.
Là c'est si je roule à 60 km/h. S'il y avait moins de kms (donc pente plus forte) et qu'à cause des virages je désirais toujours rouler à 60 km/h, à ce moment là je récupérerais plus d'énergie car j'en aurait trop a dépenser pour la vitesse actuelle.

En fait, il faut bien se mettre en tête que en descente la plupart de l'énergie est dépensée par l'avancement du véhicule, et que l'énergie excédentaire (quand on doit freiner pour ne pas aller trop vite) n'est pas si importante que ça.

Pour une méhari de 600 kg, on a E = 7 652 kJ soit 2 125 Wh et P = 5 kW. Si on enlève l'énergie utilisée pour avancer à 50 km/h (à 60 on n'aurait pas assez d'énergie fournie par la pesanteur) il ne nous reste plus rien à récupérer.
Ca c'est mes calculs, je me suis peut-être planter dans mes estimations car de mémoire pour avoir fait cette descente moteur coupé il y a quelques épingles où j'ai dû pas mal freiner, évidemment je ne passais pas le virage à 60 km/h. On se ramène donc dans le cas où il y a plusieurs freinages d'affilée rendant 40 Wh chacun, imaginons une dizaine de freinages comme ça ça nous fait 400 Wh à récupérer dans une descente sans possibilité de les redissiper tout de suite dans le moteur.

Imaginons un autre cas de figure extrême, une descente de 10 km à 10 %, que l'on ferait à 40 km/h à cause des virages ou autres (regarder le paysage par exemple), avec une méhari de 800 kg. Le dénivelé est de 10% (soit 0,1 m vertical / m horizontal) * 10 000 m = 1000 m. Le temps de descente est de 15 minutes.
Force aérodynamique de résistance à l'avancement Faero = 0,6 * 0,7 * 11 ² = 50 N.
Puissance à récupérer : E = mgz = 800*9,81*1000 = 7 848 kJ soit 2 200 Wh et une puissance de 7 848 kJ/(15min*60)s = 8,72 kW.
Energie consommée par le roulement et l'air, soit à 40 km/h (11m/s) Efrott = (Froul+ Faero) * distance(10 000 m) = (65N+50N)*10 000m = 1 150 000 J => 320 Wh
Ce qui nous fait 2 200 Wh - 319 Wh = 2 kWh à récupérer sous une puissance de 1900*3,6 kJ/(15min*60)s = 7,5 kW.
Ce cas valide le 300Wh précédent, mais il serait étonnant qu'on puisse récupérer l'énergie à basse vitesse d'une grosse descente, déjà 300 Wh sont difiicile à encaisser dans un système de stockage rapide.

Pour résumer pour les descentes, une limite haute satisfaisante à 300 Wh et une puissance de 10 kW.

Une puissance de récupération maxi de 50 kW (pour le freinage) parait répondre à la plupart des cas, même si des cas exceptionnels ne seront pas pris en compte, et l'énergie récupérée est de l'ordre de moins de 300 Wh (dans les descentes) pour répondre là encore à la plupart des cas de figures.
300 Wh, c'est 30 kg de supercondensateurs, ça fait un peu beaucoup. Il faudra surement lâcher du lest et accepter qu'une grosse partie parte dans le frottement des plaquettes de frein ou dans l'échauffement de la capacité de stockage électrique.
Les cas de récupération n'étant pas les mêmes, on distinguera 60 Wh sous 50 kW lors d'un freinage (durée 4 s), et 2 kWh sous 7 kW pour une descente (durée 15 min).
Calcul de l'énergie pouvant être stockée dans une batterie Ni-Mh pendant 15 minutes :
Une batterie de VAE (24V pour 8,5 Ah) recharge 200 Wh en 6h, ce qui donne 33 Wh par heure (0,009Wh par seconde, soit 32 W quand on veut passer 50 kW, ridicule!), sous 24 V ça nous fait une intensité de 8,5 / 6 = 1,4 A, soit une recharge à 0,16C. On touche du doigt ici pourquoi la régénération est en général zappée dans les véhicules électriques, la batterie n'est pas capable de la supporter...
En considérant une recharge à 0,5 C (recharge supportable pour une batterie Ni-Mh, qui peuvent monter pour certaines à 1 ou 2 C), il nout faut connaitre la capacité totale de la batterie.
On a vu que pour 50 km d'autonomie, il nous fallait à peu près 5 kWh d'énergie. Sous 100 V, ça fait 50 Ah ça nous donne 25 A * 100 V = 2,5 kW.
C'est déjà bien élevé pour recharger une batterie je trouve!
Pendant 15 minutes, on stocke 15*60*2500 = 2250 kJ soit 2250/3600 = 625 Wh. C'est pas mal, sur les 2 kWh à stocker pendant la descente de 15 minutes il reste encore 1,4 kWh qui seront à stocker dans l'appareil intermédiaire de récupération d'énergie.
Combien de temps allons nous mettre pour vider ces 1,4 kWh dans la batterie (cas où on habite au bas de cette descente) ?
à 2,5 kW par seconde d'insertion dans la batterie, ça nous fait 1,4/2,5 = 0,56h => 0,56*60 = 33,6 minutes .
Bien sûr, si la montée qui suit est du même acabit, en 10 minutes (en comptant les pertes de frottements et de résistance de l'air, toute l'énergie n'allant pas dans l'énergie potentielle du véhicule) cette énergie aura été restituée directement dans le moteur.

Résumé du stockage rapide d'énergie

500 Wh de capacité chargée à 50 kW max, et capable de le tenir pendant 30 minutes sans trop de pertes, pour espérer récupérer le max d'énergie de freinage et dans certaines exceptionnelles.

Le système qui récupère l'énergie apporte de la masse supplémentaire, et comme on récupère l'énergie avec un rendement, il faut enlever l'énergie perdue à la récupération de la surmasse du système, pour vérifier s'il est bien justifié.

Les données sont de 100 % de rendement de récupération, mais 50 % de restitution si batteries, 90 % pour les supercondensateurs, corrigés de la masse additionnelle.

Rendement des véhicules électriques 

Intéressons nous maintenant à l'ensemble de l'appareil motorisé par un moteur électrique, en appliquant ce qui est vu du rendement plus haut concernant uniquement le moteur, à toutes les forces s'exerçant sur le véhicule.

Introduisons la notion de coefficient de conversion électromécanique K (en V/m/s). En gros, combien de volts faut-il appliquer en entrée pour obtenir une vitesse de 1 m/s en sortie. Plus le K est élevé, meilleur est le rendement, car si il me faut 5 V pour obtenir une vitesse d'1 m/s, alors ça veut dire que le courant utilisé est d'autant plus faible.

à suivre...

Récupération d'énergie

Si on peut récupérer le maximum de l'énergie cinétique et potentielle mise dans la masse du véhicule lors de l'accélération ou du gravissement des montées, on augmente le rendement du système et l'autonomie. Le but est d'en récupérer le plus possible.
Les calculs plus haut ont donnés que lors d'un freinage, récupérer 60 Wh avec une puissance de 50 kW pendant 4 s ne permet pas de récupérer toute l'énergie des cas extrêmes (gros freinage avec une méhari en surcharge) mais de récupérer toute l'énergie dans la plupart des cas.
Lors d'une descente, le temps est beaucoup plus long, il faut certes récupérer 3 kWh sous 8 kW de puissance, mais pendant 25 minutes, ce qui laisse le temps de recharger à plus faible puissance la batterie principale.

En effet, le principal blocage technologique vient du fait qu'une batterie ne peut se recharger que très lentement (souvenez-vous qu'il faut une nuit pour recharger une batterie). On peut la recharger plus vite, mais elle va chauffer, ce qui diminue le rendement de charge (elle ne va restituer que la moitié de ce qu'on y a mis) et sa durée de vie va baisser d'autant. quand on connait le prix de la bête.

Il nous faut donc utiliser un autre moyen de stockage, temporaire celui-la, qui pourra accumuler et se décharger avec de gros ampérages sans problèmes, tant pis s'il est plus cher, il ne nous en faudra pas beaucoup.
Ce moyen de stockage doit posséder 3 kWh de capacité. En prenant une super capacité, à 2300 euros / kWh, ça revient à 7000 euros le bout... Gloups,! sachant que vu que c'est un proto il y a moyen d'en niquer un ou 2 pour les essais... Ça vaudra le coup de chercher les prix les moins chers sur internet, histoire de descendre à moins de 3000 euros la récupération d'énergie qui ne fonctionne qu'une infime partie du temps.

Calculons l'énergie qu'il est possible de stocker dans les 2 composants de base de l'électronique, le condensateur et la self (bobine).

Energie stockée dans un condensateur plat

Énergie absorbée par un condensateur = 0.5*C*V²
Sous 100 V, pour stocker 3 kWh (soit 10800000 J), il faudrait un condensateur d'une capacité (en Farad, attention, pas en Wh comme pour une batterie) de :
C = (2*E)/V² = 21600000 / 10 000 = 2 160 F. Quand on voit le prix d'un condo 1 F pour autoradio, faut laisser tomber, à moins d'aller voir les supercondensateurs.

Energie stockée dans une bobine

Énergie absorbée par une bobine  = 0.5*L*I²
Il faut minimiser I, disons par exemple 200 A pour rester dans les courants "raisonnables" et pour fixer ce paramètre.
L = 2E / I² =  21600000 / 40 000 = 540 H.
Ça nous permet de donner les dimensions de la bobine : L = N² /Rm (avec Rm la réluctance magnétique du circuit magnétique).
N est le nombre de spires, difficiles de faire plus de 50 tours (avec le fil de démarreur ça fait du 30 cm de haut déjà).
Donc la réluctance magnétique doit être de 540/50² = 0,216 = l / μA
Avec l la longueur en m du circuit magnétique, μ la perméabilité du circuit magnétique en henris/m, et A la surface de section du circuit magnétique toroïdal.
Pour arriver à faire des enroulements avec du fil aussi gros, il faut un diamètre de tore de 0,30 m, soit une longueur de circonférence de 1 m.
S'il est constitué de fer pour augmenter l'inductance de la bobine, on a une perméabilité magnétique μ de saturation d'environ 1,5 T / 1800 at/m = 8,3.10-4 H/m (pour des tôles d'acier).

C'est pour trouver μ que je ne sait pas faire et que je doit planter les calculs, à reprendre.

Ce qui nous donne une section mini de bobine de A = 0,216*8,3.10-4 / 1 = 0,00018 m² = π r² soit r² = 0,000057325 => Le rayon mini de la bobine vaut donc : r = 0,00757 m soit un diamètre minimum de 1,4 cm. On a de la marge de ce côté là, on ne risque pas d'atteindre la saturation du fer en prenant un diamètre de 2 cm.
Le bobinage est constitué de fils de section comme ceux de démarreur (1,5 cm de diamètre), estimons la résistance électrique : (dans un premier temps on ne calculera pas l'augmentation de résistance avec la température, c'est juste des calculs pour estimer grosso modo la viabilité du système) :
Résistivité du cuivre = 1,72.10-8 ohms-mètres
Longueur du câble estimée à 4 m, section d'un câble de 1,5 cm de diamètre = Pi D = 0,015*3.14 = .0471 m², comme R = rho*(l/A) = 1,72.10-8*(4/.0471) = 0,000001461 ohms. Avec la température, et les pertes de connectiques, mettons le à 0,0001 ohms.
Calculons les pertes Joules engendrées par un courant de 200 A.
P = RI² = 0,0001*200*200 W = 4 W. Ça va, c'est jouable question dimensionnement du refroidisseur.
S'il faut 2 h pour remettre cette énergie dans la batterie, ça implique qu'on aura 4*2*3600 = 29 kJ de pertes, soit 8 Wh (donc un rendement de 99 %). SI on utilisait des câbles supraconducteurs, la résistance est nulle et les pertes ne se situent plus que dans le contrôleur, les bobines prototypes obtiennent des rendements de 95%.
Mais attention, 200 A ça implique des connectiques soudées à l'étain, soignées aux petits oignons, et surtout un circuit de contrôle assez péchu, par exemple des IGBT passant 30 A c'est 6 euros l'unité, pour 200 il en faut 7, et ainsi de suite. Il vaudrait mieux dans ces cas là un relais, ce qui nous fait perdre en rendement encore.

Comme on le voit, c'est tentant car à part pour l'électronique de puissance de contrôle, ça à l'air jouable (à moins d'une erreur dans mes calculs).

Voyons le poids de l'ensemble :
 à faire

Il faudra diminuer l'intensité, 100 A c'est trop, la descendre à 10 A et doubler le nombre de tours avec un fil beaucoup plus petit, il faudra fixer le nombre de watts de pertes admissibles et en déduire la section à avoir, plus l'intensité baisse et moins il y a de coefficient de sécurité à prendre.
Attention, car la dangerosité reste la même! en cas de rupture du circuit interne de la bobine, il y a augmentation infinie de la tension jusqu'à ce qu'un arc électrique se forme. Voir à enfermer la bobine dans une cage de faraday remplie de sable, est-ce qu'il y a moyen de dissiper le champ magnétique, moins dangereux à dissiper dans l'air que l'intensité, qui fait tout chauffer.

SI on augmente le nombre de tours, on augmente aussi le temps de remplissage, ça risque de ne pas être suffisant pour le cas du freinage. Faire une feuille de calcul qui reprend tout (en rajoutant le calcul de la constante de temps), avec les équations montrer que N est prépondérant sur les autres termes (section du noyau magnétique qu'on peut augmenter, même si c'est plus lourd, etc) et le vérifier en calculant plusieurs bobines pour des intensités, des nombres de tours, des dissipations thermiques, des sections, etc.

Mais la bobine semble intéressante car c'est un coût semblant faible de premier abord, et quantité stockée non négligeable, bien que la sécurité soit le point faible du système, de même que le poids (calculer aussi le poids et en déduire les Wh/kg.

Moteur roue

Pour une bonne tenue de route, il faut diminuer le maximum la masse non suspendue, c'est à dire tous les éléments qui ne sont pas posés sur les ressorts de suspension. Cette masse non suspendue est directement supportée par le pneu, entrainant des oscillations basses fréquences mal amorties (donc le pneu colle mal à la route).
Dans les années 60, Paul Magès au bureau d'étude citroën relate l'expérience visant à remplacer les batteurs à inertie d'un Type H prototype par des fontes de 27 kg, et les essais ont montré que ça tenait presque aussi bien la route! Mais en règle général, il vaut mieux alléger au maximum.

Le moteur roue alourdit donc les masses non suspendues, il faut donc que le moteur soit le plus léger possible. Le moteur électrique, permettant un freinage fort, peut permettre de compenser la masse ajoutée par un sous dimensionnement du freinage mécanique.

Sur une suspension type 2cv, il est impossible de rajouter des moteurs ou des freins dans les roues avant, celles qui amènent la plus grande partie de l'effort moteur ou de freinage. En effet, la construction par bras poussés entrainerait sur chaque freinage une élévation excessive de l'avant, et tout couple moteur une plongée jusqu'en butée de l'avant. Il parait que les essais avec des freins sur les roues avant des 2cv prototypes n'étaient pas tristes!

Seuls les bras arrière peuvent encaisser une motorisation additionnelle de faible puissance, tout comme ils supportent des freins à tambours assumant 20% environ du freinage total. Dans les côtes ou à l'accélération, l'arrière se soulève (compensant le transfert des masses à l'arrière qui enfonce l'arrière), et au freinage, le moteur roue arrière enfonce l'arrière (qui se soulève sous l'effet du transfert de masse).

Il y aurait une solution pour contrer le couple, c'est un mécanisme du genre des générateurs électriques, par exemple placés à la place des frotteurs, qui joueraient le rôle de l'amortissement, et augmenterait l'amortissement de la suspension lors des phases d'accélérations et de freinage, dont le couple exercé est connu, afin de ne filtrer que ce couple et amortir ensuite de manière normale les autres oscillations rencontrées sur la route. Mais ça serait un asservissement relativement complexe.

Les avantages du moteur roue sont :
- suppression de la transmission, apportant des gains en place dans le véhicule, en poids et en rendement, diminuant les bruits et l'entretien, augmentant la fiabilité (plus de pignon baladeur de 2-3 desserré...) et permettant d'augmenter la garde au sol en tout terrain.
- libération de l'emplacement du moteur dans le véhicule
- suppression de l'embrayage => facilité de conduite
- contrôle indépendant de chaque roue (antipatinage (remplace le blocage de différentiel, gestion des accélérations en basculant le couple à l'arrière, là où se reporte le transfert de masse), antiblocage au freinage, contrôle de direction possible sans pivot dans les roues avant en accélérant un côté du véhicule par rapport à l'autre).
- hybridation simple, avec train avant conventionnel (moteur thermique+transmissions) et train arrière électrique (2 moteurs roues).

Désavantages :
- Couple max du moteur devant être plus élevé (d'un facteur 10 environ, celui de la transmission supprimée), compliquant la réalisation du moteur électrique roue et augmentant son poids, son rendement et son coût.
- place du moteur dans la roue limitée.
- augmentation des masses non suspendues.
- Moteur plus exposé aux intempéries, projections, coups, et aux vibrations très peu amorties par le pneumatique.

Il faut surveiller qu'il y a plus d'avantages à supprimer la transmission (gain en poids, coût et rendement) sachant qu'un moteur roue plus coupleux va peser plus, être plus cher et travailler dans des zones où son rendement est moins bon. Donc comparer par exemple le gain de rendement (25% perdus dans la boite de vitesse?) et la perte de rendement d'un moteur non réducté (travaille à 70% entre 0 et 500 tr/min? ou alors est à 40% de rendement à 10 tr/min mais ne passe que 0,1% du temps dans cette zone).

Contraintes sur le moteur

Tant qu'à faire qu'à avoir un moteur sur la roue, autant faire en sorte que ce dernier soit en direct et se passe donc de réducteur gourmand en rendement.
C'est une chose pas facile, car dans le cas d'un moteur synchrone le moteur doit tourner à faible vitesse (les roues tournent au maximum à ) et avoir beaucoup de couple, d'autant plus que le nombre de moteur roue est limité (sur les moteurs sont sur les 4 roues, il faut 4 fois moins de couple par moteur).
C'est pourquoi Michelin sur l'active wheel à préféré partir sur un moteur couple plus long et de faible diamètre pour tourner vite (grande puissance pour un faible poids), associé à un réducteur.
Le moteur sans réducteur doit être coupleux, donc avoir un grand nombre de pôles et un diamètre conséquent.
On s'oriente vers un moteur axial à plusieurs disques de grand diamètres et beaucoup d'aimants en périphérie, avec un entrefer le plus faible possible et une grande inductance de l'induit, limitant la vitesse maxi qui de toute façon sur une roue de 125-15 est limitée à 1350 tr/min (150 km/h) sur une 2cv.

En gros, si on veut du couple, il faut soit :
- moteur lent avec beaucoup d'aimants et loin de l'axe pour augmenter le bras de levier, donc moteur lourd avec de l'inertie, le poids du moteur augmente mais pas de poids ajouté par un réducteur inutile,
- un moteur tournant très vite avec un réducteur, moteur plus léger mais réducteur ajoutant du poids et des pertes de rendement.

Comme le couple est important et que l'encombrement est limité, il y a de fortes chances d'avoir un risque d'échauffement, d'où l'importance de bien diminuer l'intensité consommée, en augmentant  la tension et en soignant le rendement pour diminuer le dégagement de calories.

Le couple max au démarrage impose le nombre d'ampères-tours NI.

Plus le régime max est limité, et plus le nombre de tours N est élevé, diminuant d'autant le courant I. Permet de limiter les pertes de rendement, l'échauffement, la taille et les coût des interrupteurs de puissance et le poids des câbles et connectiques.

Le seul moteur vraiment performant dans ce domaine est le moteur synchrone autopiloté sans balais à aimants permanents, de par ses propriétés excellentes en couple et en rendement, à peu chauffer, à tourner à des vitesses limitées à 1000 tr/min, sa robustesse, bien qu'il soit un peu limité en facilité de défluxage (inducteur à flux fixe) pour dépasser sa vitesse nominale imposée par la tension appliquée.
Son seul défaut est son coût, dû aux aimants très puissants et à l'électronique de contrôle.

Homologation d'un véhicule électrique

En France

Bon, ça semble mission impossible d'obtenir une carte grise avec la mention EL dans la rubrique énergie, et pourtant...

Pour les garagistes, possibilité de rouler en carte grise W prototype, mais attention au prix de l'assurance.

Pour les suisses, allemands, anglais, etc. sauf belges et français, passage possible en homologation.

Pour les français non garagistes :

Dans le cas d'un changement de moteur (par exemple passer d'essence à diesel, ou mettre un moteur plus puissant) :

Cas n'arrivant jamais mais idéal : Accord du constructeur + RTI (réception à titre isolé).
Si le constructeur ne se prononce pas, alors prise de rendez-vous avec la Division Contrôles technique de la DRIRE pour examen. Des essais spécifiques peuvent alors être demandés (comme le freinage, essais réalisés par un laboratoire reconnu tel que l'UTAC).

Si le constructeur n'existe plus (comme Simca) il ne peut donner son accord c'est comme s'il refusait.

Si le constructeur dit non, plus rien n'est possible en France.

A l'étranger

Si le conducteur n'a pas donné son accord, on peut alors homologuer le véhicule dans un vrai pays comme l'Angleterre et le réimporter dans cette république bananière qu'est la France.

En premier passer en plaques anglaises (mettre en conformité comme mettre un feu de brouillard à droite).

En 1 semaine on obtient une carte grise anglaise en envoyant simplement le certificat d'export et un chèque à l'administration.

Il faudra s'assurer lors du passage à la certification anglaise de récupérer le certificat de conformité européen au service des homologations. Appelé aussi COC (certificate of community), ce certificat assure que le véhicule est conforme à la réception CE (Le véhicule satisfait aux normes techniques demandées par l'union européenne). Les autres documents, plus simples à obtenir, se trouvent ici : http://www.carte-grise.org/importation_vehicule_angleterre.htm

Si la DRIRE est gentille

Trouvé sur le forum de vehiculeselectriques.free.fr, de pdelagrange :

En France, pour les VU d'avant 2007 = pas de crash-test obligatoires, et de plus les 2cv sont des véhicules à châssis (le moteur ne conditionne pas la rigidité). Les RTI se font sur la base de la législation en vigueur à la 1è immatriculation.

Pour la conversion en électrique, ça sort des sentiers battus, du coup la DRIRE improvise, et en effet l'accord du constructeur est sans nul doute bénéfique. Il s'agit en premier lieu de prouver que vous ne remettez pas en cause la rigidité de la caisse, pour ne pas remettre en cause les essais de choc (obligatoires sur les VP depuis 1967). Les autres tests n'étant pas destructifs, après ce n'est qu'une question de sous (environ 1200 euros à l'UTAC pour la totale).
Le test de freinage étant encore plus cher, il faut absolument éviter de modifier le poids à vide et conserver ainsi le bon nombre de places.
Toute la doc sur les tests est disponible librement sur le site de l'Europe et de l'ONU.
Le gros boulot, c'est le dossier qu'il faut monter pour passer à l'homologation, dire ce qui à été enlevé, qu'est ce qui a été rajouté, comment cela s'est fait, avec quels outils, prouver que les modifs n'affectent en rien le comportement du châssis/véhicule, etc.

La dyane étant un véhicule à châssis (et pas une monocoque), je pense que ça ne devrait pas poser de problèmes. Par contre, hors de question de percer ou souder le châssis
Les tests de freinage ne sont pas remis en cause si le PTAC n'augmente pas. Le PTAC peut être remis en cause par le poids à vide, suivant le nombre de places assises déclarées (=charge utile).
Les tests d'anti-parasitage sont évidemment à refaire, ainsi que tous les tests d'isolation/sécurité électrique (règlement de Genève n°100 sur les véhicules électriques).

Attention, il y a d'autres règlementations pour les VE en cours de rédaction (en particulier autour de la sécurité des batteries au lithium je crois)...

Oui, vous avez bien lu, sur les véhicules d'avant 1967, pratiquement tout est permis, vu qu'il n'y avait presque aucun test obligatoire.

à suivre...


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