Analyse approfondie des véhicules électriques : principes de fonctionnement complets, des composants de base aux systèmes intelligents
Au cœur de la transformation et de la modernisation de l'industrie automobile, les véhicules électriques redéfinissent le paysage des transports grâce à leurs atouts : respect de l'environnement, efficacité et intelligence. De la plus petite vis à un système de conduite intelligent complexe, la collaboration de chaque composant garantit une expérience de conduite fluide. Partant des principes fondamentaux, cet article décortique méthodiquement les composants essentiels, les mécanismes de fonctionnement et les technologies intelligentes des véhicules électriques, vous offrant ainsi une compréhension globale de leur « logique interne ».
I. Noyau énergétique : Principe de fonctionnement des moteurs de véhicules électriques
Le moteur est le cœur d'un véhicule électrique et son rendement de conversion de l'énergie électrique en énergie mécanique détermine directement les performances dynamiques du véhicule. Du phénomène d'induction électromagnétique le plus élémentaire aux moteurs à induction triphasés industriels, le développement des moteurs pour véhicules électriques s'est toujours articulé autour de trois objectifs fondamentaux : « rendement élevé, couple élevé et grande stabilité ».
(I) Induction électromagnétique : le fondement physique des moteurs
Le fonctionnement d'un moteur repose sur l'interaction entre l'induction électromagnétique et la force électromagnétique. On peut en comprendre le principe fondamental grâce à une série d'expériences simples.
Interaction électromagnétique fondamentale : lorsqu’une tige métallique rotative est approchée d’un aimant, elle se met à tourner vers ce dernier. Si l’on remplace la tige par un disque de fer et que l’on déplace un aimant en forme de U, le disque tourne avec l’aimant et peut même s’auto-roter. À première vue, ce phénomène est dû à la force d’attraction de l’aimant, mais si l’on remplace le disque de fer par un disque d’aluminium (un matériau non ferromagnétique), le déplacement de l’aimant peut toujours entraîner la rotation du disque, ce qui révèle le rôle fondamental de l’induction électromagnétique.
Synergie entre induction électromagnétique et force électromagnétique : Le champ magnétique d'un aimant en forme de U circule du pôle nord au pôle sud. Lorsque l'aimant se déplace, son champ magnétique interfère avec le disque (conducteur). Selon le principe de l'induction électromagnétique, un courant induit est généré sur le disque. Le sens de ce courant peut être déterminé par la règle de la main droite, en pointant vers le centre du disque. La règle de la main gauche permet de déterminer le sens de la force agissant sur le disque : pointez l'index dans le sens du champ magnétique, le majeur dans le sens du courant et le pouce dans le sens de la force électromagnétique qui entraîne la rotation du disque. Le point essentiel est qu'il doit exister une différence de vitesse de rotation entre l'aimant et le disque. Si leurs vitesses de rotation sont identiques, l'induction électromagnétique ne peut avoir lieu et le disque perd sa capacité d'autorotation.
(II) Itération de la structure du moteur : des dispositifs simples à la conception industrielle
Pour obtenir une puissance de sortie continue et stable, la structure du moteur a subi de multiples phases d'optimisation et de mise à niveau.
Amélioration de la structure de base : remplacer le disque d'aluminium par un cylindre de fer et l'aimant en forme de U par deux aimants droits. La rotation de l'aimant entraîne celle du cylindre. L'analyse des forces montre que le champ magnétique circule du pôle nord vers le pôle sud. Lorsque l'aimant se déplace vers le bas par rapport au cylindre, ce dernier se déplace vers le haut. Un courant induit est généré selon la règle de la main droite, et les directions des forces s'exerçant sur le cylindre (l'une vers le bas, l'autre vers le haut) sont déterminées par la règle de la gauche, ce qui provoque la rotation du cylindre.
Application des électroaimants : Une bobine génère un champ magnétique lorsqu'elle est alimentée. Ce type d'électroaimant, « magnétique lorsqu'il est alimenté et non magnétique lorsqu'il est hors tension », offre une meilleure contrôlabilité que les aimants permanents traditionnels : l'augmentation de la tension permet d'accroître l'intensité du champ magnétique et l'inversion du sens du courant inverse les pôles magnétiques. Grâce à cette caractéristique, plusieurs bobines sont disposées autour du cylindre. En inversant continuellement le sens du courant, un champ magnétique rotatif est généré, permettant ainsi la rotation continue du cylindre sans rotation mécanique de l'aimant ; c'est le principe de conception fondamental du moteur.
(III) Courant alternatif triphasé : méthode de mise en œuvre du champ magnétique tournant
Les véhicules électriques utilisent généralement des moteurs à induction triphasés, dont le principe repose sur la génération d'un champ magnétique rotatif stable grâce à un courant alternatif triphasé.
Génération de courant alternatif triphasé : Lorsqu'un aimant tourne autour d'une bobine, les variations du champ magnétique induisent un courant alternatif (la forme d'onde du courant alternatif monophasé est une sinusoïde). Si trois bobines sont disposées à 120 degrés d'intervalle, l'aimant génère trois courants alternatifs déphasés de 120 degrés, soit un courant alternatif triphasé. Une extrémité des trois bobines est reliée au neutre, l'autre extrémité constituant les trois phases. La tension entre phases est de 380 volts et la tension entre une phase et le neutre est de 220 volts. Différents modes de connexion permettent de répondre à différents besoins en énergie.
Enroulement et formation du champ magnétique : Le moteur est composé d’un stator et d’un rotor. La bobine est enroulée dans les alvéoles du stator. Le bobinage s’effectue comme suit : la bobine entre par l’orifice A et ressort par l’orifice A opposé ; elle entre ensuite par l’orifice B à 120° et ressort par l’orifice B opposé ; le bobinage est ainsi complété à l’orifice C. Enfin, les fils de sortie sont connectés entre eux et raccordés au réseau triphasé.
Génération d'un champ magnétique tournant : La forme d'onde du courant alternatif triphasé varie périodiquement. À différents instants, la polarité et l'amplitude du courant sur les trois phases diffèrent. Par exemple, à un instant donné, la phase R est positive et les phases S et T sont négatives ; à l'instant suivant, ce sont les phases R et S qui sont positives et la phase T qui est négative. Cette variation induit un changement continu du sens du champ magnétique généré par la bobine du stator. Conformément à la loi d'Ampère, le sens du champ magnétique généré par chaque bobine (horaire ou antihoraire) varie avec le courant. La superposition des champs magnétiques de plusieurs bobines forme un champ magnétique tournant en continu, dont la vitesse de rotation est directement proportionnelle à la fréquence du courant alternatif.
(IV) Structure et classification des moteurs réels
Les moteurs de véhicules électriques de qualité industrielle ont été optimisés avec précision sur la base de principes fondamentaux et sont principalement divisés en deux catégories : les moteurs à induction (moteurs asynchrones) et les moteurs synchrones à aimants permanents.
Moteurs à induction (moteurs asynchrones) :
Structure de base : Composée d’un stator et d’un rotor. Le stator présente des rainures internes destinées à recevoir les bobines d’enroulement. Le rotor est une structure à cage d’écureuil constituée de tôles de fer isolées, elles-mêmes rainurées, et de barres conductrices encastrées dans ces rainures.
Caractéristiques de fonctionnement : Lorsqu'un courant alternatif traverse la bobine du stator, un champ magnétique tournant est généré. Les barres conductrices du rotor coupent les lignes de champ magnétique, induisant un courant et se mettant ainsi en rotation par la force électromagnétique. La vitesse du rotor étant toujours inférieure à la vitesse du champ magnétique (il existe un glissement), on parle de moteur asynchrone.
Optimisation des bobines : En production industrielle, un ensemble de bobines d'enroulement comporte généralement des centaines, voire des milliers de spires. Après leur bobinage mécanique, elles sont recouvertes d'une peinture isolante qui améliore non seulement l'isolation, mais aussi la conductivité thermique. Pour pallier les problèmes d'irrégularité du champ magnétique, le nombre de rainures du stator est augmenté (par exemple, de 12 à 24) et les bobines sont connectées en série et repliées afin de former différentes structures de champ magnétique, telles que des moteurs bipolaires et tétrapolaires. Les moteurs bipolaires offrent une vitesse de rotation élevée, tandis que les moteurs tétrapolaires présentent un couple important. La conception multi-rainures permet d'améliorer encore la stabilité du champ magnétique et le rendement du moteur.
Moteurs synchrones à aimant permanent :
Amélioration structurelle : des aimants permanents en forme d’arc sont installés à l’extérieur du rotor (en remplacement du rotor à cage d’écureuil). Ces aimants permanents génèrent un champ magnétique fixe qui interagit avec le champ magnétique tournant généré par la bobine du stator.
Principaux avantages : La vitesse du rotor est synchronisée avec la vitesse du champ magnétique du stator sans perte d’énergie due au courant induit (la perte d’énergie des moteurs à induction est d’environ 3 à 4 %) et il possède un couple de démarrage élevé et d’excellentes performances à basse vitesse.
Problèmes existants : Lors d’une conduite à grande vitesse, la force contre-électromotrice générée par l’aimant permanent est opposée à la direction de la force électromotrice du moteur, ce qui affecte le rendement de ce dernier ; en même temps, l’aimant permanent provoque des courants de Foucault entraînant une perte d’énergie supplémentaire.
Moteurs à réluctance synchrone à aimant permanent :
Conception hybride : combinant les avantages de la faible vitesse et du couple élevé des moteurs à aimants permanents et de la stabilité à haute vitesse des moteurs à réluctance synchrone, des aimants permanents sont intégrés dans les rainures des moteurs à réluctance synchrone pour former une structure composite.
Optimisation des performances : En ajustant l’angle entre le champ magnétique tournant et le champ magnétique de l’aimant permanent, la force contre-électromotrice peut être réduite, voire annulée, permettant ainsi au moteur de fonctionner efficacement à basse comme à haute vitesse. Au démarrage, le maintien de l’angle du champ magnétique tournant aux alentours de 50 degrés permet d’obtenir un couple maximal.
II. Source d'énergie : Principe de fonctionnement des batteries au lithium et conception des packs de batteries
La puissance du moteur provient de l'énergie électrique et le principal composant de stockage d'énergie des véhicules électriques est constitué par les batteries au lithium. Ces dernières sont devenues le dispositif de stockage d'énergie privilégié pour les véhicules électriques grâce à leurs avantages : haute densité énergétique, longue durée de vie et capacité de charge rapide.
(I) Structure de base et principe de fonctionnement des batteries au lithium
La conversion d'énergie des batteries au lithium repose sur l'intercalation et la désintercalation des ions lithium, et leur structure de base comprend une électrode positive, une couche d'électrolyte et une électrode négative.
Matériaux d'électrode :
Électrode négative : principalement composée de couches de graphite. Le graphite possède une structure cristalline en couches qui offre un espace pour l’intercalation des ions lithium.
Électrode positive : oxydes métalliques contenant du lithium (tels que les oxydes de nickel-cobalt-manganèse pour les batteries lithium-ion ternaires et le phosphate de fer lithié pour les batteries lithium-fer-phosphate).
Électrolyte : Solution de sel organique de lithium déposée sur le séparateur, permettant le passage des ions lithium mais bloquant celui des électrons.
Processus de charge et de décharge :
Chargement : Lorsqu’une source d’alimentation externe est connectée, l’électrode positive de cette dernière attire les électrons des atomes de lithium présents dans le matériau de l’électrode positive. Les électrons circulent le long du fil conducteur et les atomes de lithium cèdent des électrons pour se transformer en ions lithium. Ces ions migrent ensuite vers l’électrode négative à travers la couche d’électrolyte et s’intercalent dans la structure cristalline lamellaire du graphite jusqu’à ce que tous les ions lithium soient insérés et que la batterie soit complètement chargée.
Décharge : Lorsque le circuit est connecté à une charge (comme un moteur), les ions lithium retournent à l’électrode positive à travers la couche d’électrolyte pour retrouver un état stable. Les électrons circulent alors le long du fil conducteur jusqu’à l’électrode positive et se recombinent avec les ions lithium, générant un courant qui alimente la charge.
Principaux mécanismes de protection :
Protection de sécurité : Une couche isolante est prévue au milieu de l'électrolyte pour éviter les courts-circuits entre les électrodes positive et négative (les courts-circuits provoqueraient le dessèchement de l'électrolyte et des incendies).
Formation du film SEI : Lors de la première charge d'une batterie au lithium, les ions lithium migrent vers l'électrode négative à travers la couche d'électrolyte. Certains électrons réagissent avec les molécules de solvant et le graphite pour former un film d'interface électrolyte solide (film SEI). Ce film SEI bloque le contact entre les molécules de solvant de l'électrolyte et l'électrode négative, évitant ainsi la dégradation de l'électrolyte. Bien qu'il consomme environ 5 % des ions lithium actifs, les avantages globaux l'emportent sur les inconvénients. Les scientifiques continuent d'améliorer les performances des batteries en optimisant l'épaisseur et les propriétés chimiques du film SEI.
(II) Types de batteries au lithium et conception des blocs-batteries
Types courants de batteries au lithium :
Batteries lithium ternaires : l’électrode positive est composée d’un mélange proportionnel de nickel-cobalt et de manganèse. Elles présentent une densité énergétique élevée et de bonnes performances à basse température et conviennent aux modèles privilégiant l’autonomie et la puissance.
Batteries lithium-fer-phosphate : leur électrode positive est composée de lithium-fer-phosphate. Elles offrent une sécurité élevée, une longue durée de vie et un faible coût, et conviennent aux modèles privilégiant la stabilité et l’économie.
Composition et système de refroidissement des batteries :
Conception modulaire : une batterie au lithium individuelle possède une tension et une capacité limitées. Le pack de batteries d’un véhicule électrique combine des milliers de batteries au lithium en série et en parallèle (par exemple, certains modèles en contiennent plus de 7 000) pour former un pack de batteries haute tension.
Système de gestion thermique : Les batteries génèrent de la chaleur en fonctionnement. Des températures trop élevées ou trop basses peuvent affecter leurs performances et leur sécurité. Le bloc-batterie est équipé d'un système de refroidissement. Le liquide de refroidissement circule dans des tubes métalliques afin de réduire la température des batteries ; parallèlement, le système de gestion thermique surveille cette température et intervient pour les refroidir en cas de températures trop basses. La conception composée de plusieurs petites batteries permet une répartition uniforme de la température, réduisant ainsi les points chauds et prolongeant la durée de vie des batteries.
Agencement structurel : Le bloc-batterie est généralement installé sous le châssis selon une conception modulaire intégrée qui permet non seulement de gagner de l’espace intérieur, mais aussi d’abaisser le centre de gravité du véhicule, améliorant ainsi la stabilité de conduite.
III. Conversion d'énergie : Fonctions principales et mécanismes de fonctionnement du système de commande électronique
Le système de commande électronique d'un véhicule électrique est le « cerveau » qui coordonne le fonctionnement des composants essentiels tels que les batteries et les moteurs. Ses fonctions principales incluent la conversion du courant continu et du courant alternatif, le contrôle de la puissance de sortie et la gestion thermique, éléments clés pour garantir le bon fonctionnement du véhicule.
(I) Architecture de composition du système de commande électronique
Le système de commande électronique est un ensemble complexe de multiples sous-systèmes comprenant principalement :
Système de gestion thermique : Surveille la température des batteries, des moteurs, des commandes électroniques et des autres composants et maintient chaque composant dans la plage de température de fonctionnement optimale grâce à des systèmes de refroidissement ou de chauffage.
Module de commande du moteur : Le cœur du module est un onduleur qui convertit le courant continu fourni par la batterie en courant alternatif nécessaire au moteur et contrôle la fréquence de ce courant alternatif pour ajuster la vitesse du moteur, permettant ainsi l’accélération et la décélération du véhicule.
Module de distribution d'énergie haute tension : distribue l'énergie électrique aux composants haute tension tels que les compresseurs de climatisation, les unités de chauffage de batterie et les convertisseurs CC.
Convertisseur CC : Convertit le courant continu haute tension de la batterie en courant continu basse tension (par exemple 12 volts) pour charger la batterie au plomb-acide qui alimente ensuite les composants basse tension tels que les phares, les essuie-glaces et les capteurs du véhicule.
(II) Onduleur : Le cœur de la conversion CC-CA
L'onduleur est l'élément central du module de commande du moteur. Son principe de fonctionnement consiste à convertir le courant continu en courant alternatif sinusoïdal régulier grâce à la commutation rapide des interrupteurs du circuit.
Principe de base de la commutation de circuit : Un circuit onduleur simple comprend quatre groupes d'interrupteurs. En commandant l'ouverture et la fermeture de ces interrupteurs, on inverse le sens du courant. Par exemple, lorsque S1 et S4 sont fermés, le courant circule dans un sens ; lorsque S2 et S3 sont fermés, le courant circule dans le sens opposé. La commutation continue des interrupteurs permet de générer un courant alternatif à onde carrée.
Commutation à haute vitesse et optimisation de la forme d'onde : des transistors sont utilisés comme éléments de commutation, capables de commuter des milliers de fois par seconde afin de répondre aux exigences du moteur en matière de fréquence du courant alternatif (généralement 50 Hz, ce qui nécessite 100 commutations par seconde). Cependant, la tension du courant alternatif à onde carrée varie brusquement et doit être convertie en une onde sinusoïdale lisse. En calculant la valeur moyenne des impulsions de l'onde carrée, on obtient une courbe proche de la sinusoïde. Un filtre passif est ensuite ajouté pour ajuster la fréquence du signal et obtenir ainsi le courant alternatif sinusoïdal requis par le moteur.
Conception de la protection du circuit : pour éviter les courts-circuits, un circuit de porte NON est intégré au circuit afin de garantir qu’un seul interrupteur de chaque groupe puisse être ouvert ; simultanément, un comparateur est utilisé pour comparer l’onde sinusoïdale à l’onde triangulaire afin de générer une courbe d’onde carrée spécifique, optimisant ainsi la régularité de la forme d’onde.
IV. Transmission de puissance : Simplification et conception efficace du système de transmission
Comparé aux boîtes de vitesses complexes à plusieurs rapports des véhicules thermiques, le système de transmission des véhicules électriques est plus simple. Il utilise principalement une boîte de vitesses à rapport unique et assure une transmission de puissance efficace grâce à une conception optimisée.
(I) Structure de base du système de transmission
Circuit de transmission de la puissance : Lorsque l’accélérateur est enfoncé, la batterie transmet l’énergie électrique au module de commande du moteur. L’onduleur convertit le courant continu en courant alternatif et le transmet au moteur. La rotation du rotor du moteur entraîne l’arbre de transmission. La roue dentée d’entraînement, située sur l’arbre de transmission, s’engrène avec la roue de sortie de puissance via le réducteur et transmet finalement la puissance aux roues.
Mécanisme de décélération et d'augmentation du couple : Le réducteur est composé de deux engrenages, un grand et un petit. Le grand engrenage est engrené avec l'engrenage menant et le petit avec l'engrenage de sortie. Grâce à la conception du rapport de transmission, la vitesse est réduite et le couple est augmenté afin de répondre aux besoins en puissance du véhicule en marche.
Mise en œuvre de la marche arrière : aucun système de marche arrière supplémentaire n’est requis. Le contrôleur inverse le sens de rotation du moteur en fonction de la commande de marche arrière pour permettre la marche arrière du véhicule.
(II) Différentiel : un élément clé pour résoudre les différences de vitesse des roues
Dans un virage, la roue extérieure parcourt une distance plus longue que la roue intérieure. À vitesse égale, la roue intérieure patine. Le rôle du différentiel est de réguler la vitesse des roues intérieure et extérieure.
Principe de fonctionnement : Le différentiel est composé d’une couronne, de satellites et de pignons d’essieu. La puissance est transmise de l’arbre de transmission à la couronne, entraînant la rotation des satellites. Ces derniers s’engrènent simultanément avec les pignons d’essieu des deux essieux. En tournant, les satellites pivotent sur leur axe, augmentant la vitesse du pignon d’essieu extérieur et diminuant celle du pignon d’essieu intérieur, ce qui permet un ajustement dynamique de la vitesse des roues.
Optimisation structurelle : Les véhicules électriques utilisent majoritairement des différentiels ouverts. L’engrènement précis des engrenages assure la continuité et la stabilité de la transmission de puissance et évite le patinage des roues en virage.
(III) Demi-arbre et joint universel : garantie de connexion pour la transmission de puissance
Le demi-arbre est chargé de transmettre le couple moteur aux roues et son composant principal est le joint universel à vitesse constante.
Structure du joint homocinétique : Il est composé de billes, d’une cage à billes, d’une bague intérieure et d’une bague extérieure munie d’un cache-poussière. La bague intérieure est reliée à l’arbre de transmission par des cannelures. La cage à billes est placée à l’intérieur de la bague extérieure et les billes sont installées entre la cage et les bagues intérieure et extérieure.
Principaux avantages : Quelle que soit la variation d’angle entre les deux arbres, les vitesses de rotation de l’arbre moteur et de l’arbre mené restent identiques (transmission à vitesse constante). Ce système se caractérise par un rendement de transmission élevé, une grande précision et une forte capacité de compensation angulaire, permettant une transmission efficace du couple moteur et améliorant ainsi le rendement du véhicule.
V. Stabilité de conduite : Conception du système de suspension et du châssis
Le système de suspension et le châssis sont essentiels à la stabilité et au confort de conduite des véhicules électriques. La conception du châssis de ces derniers est optimisée par rapport à celle des véhicules traditionnels afin de répondre aux exigences d'intégration des batteries et des moteurs.
(I) Système de suspension : absorption des chocs et stabilisation de la carrosserie du véhicule
La fonction principale du système de suspension est de supporter le poids de la carrosserie, d'absorber les chocs dus aux irrégularités de la route et de réduire les vibrations. On distingue principalement trois types de suspensions : indépendantes, non indépendantes et semi-indépendantes. Parmi les suspensions indépendantes, les véhicules électriques sont majoritairement équipés d'une suspension à double triangulation.
Structure d'une suspension à double triangulation : Elle se compose d'un triangle inférieur, d'un triangle supérieur, d'un porte-fusée, d'un amortisseur et d'une barre antiroulis. Les triangles supérieur et inférieur sont reliés au porte-fusée par des rotules de direction. Le bras de direction, actionné par le volant, entraîne la rotation de la roue ; la barre antiroulis sert à limiter le roulis du véhicule en virage.
Principe de fonctionnement de l'amortisseur : L'amortisseur est composé d'un ressort et d'un amortisseur. Le ressort absorbe l'énergie d'impact de la route et réduit les vibrations de la carrosserie. L'amortisseur atténue les oscillations lors du rebond du ressort et accélère l'amortissement des vibrations. L'amortisseur comprend un piston et un réservoir. Le mouvement du piston est commandé par la circulation d'huile hydraulique. Lors de la descente du piston, l'huile hydraulique est comprimée dans le réservoir ; lors de la remontée du piston, l'huile hydraulique retourne dans le piston, maintenant ainsi ce dernier rempli d'huile et assurant l'absorption des chocs. L'azote liquide expansible contenu dans le réservoir permet de réduire les jeux et les discontinuités de résistance.
Effet synergique de la barre antiroulis : s’appuyer uniquement sur l’amortisseur pour contrôler le roulis implique l’utilisation de ressorts trop rigides et d’amortisseurs à coefficient d’amortissement élevé, ce qui compromet l’absorption des vibrations de la route. La barre antiroulis agit en synergie avec l’amortisseur, permettant de contrôler efficacement l’amplitude du roulis du véhicule en virage sans affecter l’absorption des vibrations et en améliorant ainsi la stabilité de conduite.
(II) Châssis de skateboard : une conception innovante pour l’intégration modulaire
Les véhicules électriques adoptent généralement une conception de châssis de type skateboard qui intègre des composants essentiels tels que les moteurs, les batteries, les commandes électroniques, les systèmes de transmission et les suspensions sur le châssis pour former une structure similaire à celle d'un skateboard.
Principaux avantages :
Développement modulaire : la carrosserie est désolidarisée du châssis. Les liaisons mécaniques sont réduites grâce à des systèmes de commande électrique. La carrosserie peut être développée indépendamment, par modules. Différentes carrosseries peuvent être assemblées sur un même châssis, ce qui raccourcit le cycle de développement et réduit les coûts de production.
Optimisation de l'espace : La batterie est disposée à plat sur le châssis, ce qui permet de gagner de l'espace intérieur et d'améliorer le confort de conduite ; simultanément, cela abaisse le centre de gravité du véhicule, réduisant ainsi les vibrations pendant la conduite et améliorant la stabilité.
Choix des matériaux : Le châssis doit supporter le poids de la carrosserie et est généralement fabriqué en acier à haute résistance et en alliage d’aluminium. L’acier est robuste et durable, tandis que l’alliage d’aluminium est léger, ce qui permet de concevoir un châssis allégé et d’améliorer l’autonomie.
VI. Commande intelligente : application et développement de la technologie de commande électronique.
La technologie de commande électronique (drive-by-wire) est au cœur de l'intelligence des véhicules électriques. Elle permet de contrôler la puissance par des câbles ou des signaux électroniques, remplaçant ainsi les connexions mécaniques traditionnelles pour un fonctionnement électronique et précis. Elle est largement utilisée dans des systèmes tels que l'accélérateur, le frein et la direction.
(I) Disposition des câbles et classification des tensions
Les composants électriques des véhicules électriques se divisent en composants haute tension (batteries, moteurs, onduleurs, etc., avec une tension de 250 à 750 volts) et en composants basse tension (phares, essuie-glaces, capteurs, etc., avec une tension inférieure à 250 volts). Les câbles correspondants se divisent également en deux catégories :
Câbles haute tension : de couleur orange et de diamètre important, dotés de propriétés anti-interférences électromagnétiques, reliant des composants haute tension tels que les ports de charge, les chargeurs embarqués, les batteries, les moteurs et les modules de distribution d’énergie haute tension.
Câbles basse tension : câbles jaunes reliant les composants basse tension et alimentés par des batteries au plomb.
(II) Implémentation par commande électronique des systèmes centraux
Accélérateur à commande électronique :
Les véhicules thermiques classiques relient la pédale d'accélérateur au moteur par un câble en acier, ce qui ne permet pas un contrôle précis de l'admission d'air. L'accélérateur électronique des véhicules électriques remplace le ressort mécanique par un capteur. Lorsque l'on appuie sur la pédale, le capteur envoie un signal électrique au calculateur moteur, qui ajuste la vitesse du moteur en fonction de l'intensité du signal afin de contrôler précisément la vitesse du véhicule.
Frein à commande électronique :
Structure traditionnelle des freins à disque : composée d’un moyeu, d’un disque de frein, d’un étrier et d’un système hydraulique. Lorsque la pédale de frein est enfoncée, la force mécanique est transmise au maître-cylindre par la tige de poussée, qui actionne le piston hydraulique de la roue et serre l’étrier pour obtenir le freinage.
Amélioration du freinage électronique : la liaison mécanique entre la pédale de frein et le maître-cylindre est supprimée. Un capteur est installé sur la pédale et l’étrier de frein est remplacé par un modèle motorisé. Lorsque la pédale de frein est actionnée, le capteur envoie un signal électrique au contrôleur qui actionne l’étrier, permettant ainsi un freinage électronique plus rapide et plus précis.
Système de freinage auxiliaire :
Système de freinage antiblocage ABS : des capteurs sont installés sur les roues. Lorsqu’un blocage imminent des roues est détecté, le module ABS relâche par intermittence les plaquettes de frein afin de faire tourner les roues de manière intermittente, évitant ainsi le patinage et permettant au conducteur de garder le contrôle du véhicule. Ce système est particulièrement efficace lors d’un freinage d’urgence.
Système d'aide au démarrage en côte : il détecte la pression de freinage grâce au capteur de pression du maître-cylindre et évalue l'inclinaison de la route grâce au capteur d'accélération longitudinale. Lorsque le conducteur relâche la pédale de frein, le système maintient la pression de freinage pendant quelques secondes, laissant ainsi le temps d'appuyer sur l'accélérateur pour empêcher le véhicule de reculer. Cette fonction est particulièrement utile en montée comme en descente.
Direction électrique :
Le système de direction traditionnel relie le volant et la crémaillère par un arbre mécanique et s'appuie sur une assistance de direction électrique pour réduire la résistance au volant. La direction électrique (ou « drive-by-wire ») supprime cette liaison mécanique. Lorsque le volant tourne, un capteur envoie un signal électrique au contrôleur qui actionne le moteur électrique de la crémaillère pour diriger le volant. Ce système est particulièrement adapté à la conception modulaire de châssis et de carrosserie découplés, offrant une précision de direction accrue.
(III) Principes de fonctionnement des autres composants de commande électronique
Essuie-glaces :
Les premiers essuie-glaces mécaniques étaient actionnés par des moteurs à courant continu qui entraînaient la rotation d'engrenages et ne pouvaient pas adapter leur vitesse à la pluie. Les essuie-glaces électriques, quant à eux, utilisent des circuits de commande à transistors associés à des condensateurs et des résistances pour un fonctionnement intermittent. Ils détectent la pluie grâce à un capteur situé sur le toit et ajustent automatiquement la fréquence d'essuyage afin de garantir une visibilité optimale.
Airbags :
Les airbags traditionnels fonctionnent grâce à des capteurs à bille inertielle. Lors d'une collision, la bille se déplace et active le circuit, provoquant l'inflammation de l'azoture de sodium pour générer de l'azote et gonfler l'airbag. Cependant, ce système présente des risques d'émission de gaz toxiques et de déclenchements intempestifs. Les airbags modernes à commande électronique utilisent du nitrate de sodium comme agent générateur de gaz, associé à des capteurs MAM répartis dans la carrosserie du véhicule. Ces capteurs détectent avec précision l'intensité et la position de l'impact et gonflent l'airbag en moins de 30 millisecondes, assurant ainsi la sécurité des conducteurs et des passagers.
VII. Garantie de confort : Principes de chauffage et de refroidissement du système de climatisation
Les véhicules électriques n'ont pas de moteur et ne peuvent donc pas utiliser la chaleur résiduelle d'un moteur pour le chauffage, contrairement aux véhicules à essence. Leurs systèmes de climatisation assurent une température intérieure confortable grâce à des dispositifs de chauffage et de refroidissement spécialement conçus.
(I) Système de refroidissement : mécanisme de fonctionnement de la climatisation automobile
Le principe du refroidissement repose sur le transfert de chaleur par changement de phase du fluide frigorigène. Les principaux composants sont un compresseur, un condenseur, un déshydrateur, un détendeur et un évaporateur.
Processus de travail :
Une fois le compresseur démarré, il comprime le fluide frigorigène gazeux à basse pression en fluide frigorigène gazeux à haute température et haute pression qui est transporté vers le condenseur par des canalisations ;
Le condenseur dissipe la chaleur à travers des canalisations et des ailettes, et le ventilateur accélère la dissipation de la chaleur en transformant le réfrigérant gazeux à haute température et haute pression en réfrigérant liquide à haute pression ;
Le fluide frigorigène liquide se sépare du gaz et du liquide à travers le sécheur et entre dans la vanne d'expansion où la pression chute brutalement, devenant ainsi un fluide frigorigène à basse température ;
Le fluide frigorigène à basse température circule dans l'évaporateur situé derrière le tableau de bord. L'évaporateur absorbe la chaleur de l'air chaud dans le véhicule pour le refroidir, et le ventilateur souffle l'air froid dans l'habitacle ;
Après avoir absorbé de la chaleur, le fluide frigorigène redevient gazeux et retourne au compresseur pour achever le cycle.
Commutation de température : Le sens du flux d’air est contrôlé par le registre de mélange. Lorsque le conduit de l’évaporateur est fermé, l’air traverse uniquement l’échangeur de chaleur (dispositif de chauffage) pour produire de l’air chaud ; lorsque le conduit de l’échangeur de chaleur est fermé, l’air traverse uniquement l’évaporateur pour produire de l’air froid.
(II) Système de chauffage : résistance PTC et système de pompe à chaleur
Chauffage PTC :
Principe de fonctionnement : L’utilisation de matériaux CTP (thermistances à coefficient de température positif), tels que les alliages nickel-chrome, permet de convertir l’énergie électrique en énergie thermique grâce à la résistance du matériau. La résistance du matériau CTP augmente avec la température, et la température de surface se stabilise après avoir atteint une certaine valeur, assurant ainsi un apport de chaleur constant.
Position d'installation : à l'intérieur du conduit d'air chaud. Après avoir traversé le réchauffeur, l'air est chauffé puis envoyé dans le véhicule par le conduit de ventilation.
Avantages et inconvénients : Structure simple et vitesse de chauffe rapide, mais elle consomme de l’énergie de la batterie et réduit l’autonomie du véhicule.
Système de pompe à chaleur :
Principe de fonctionnement : Similaire à un climatiseur réversible, ce système utilise la chaleur de l’air pour chauffer l’habitacle. En mode chauffage, le condenseur extérieur agit comme un évaporateur, absorbant la chaleur de l’air extérieur et transformant le fluide frigorigène interne de l’état liquide à l’état gazeux. Ce fluide frigorigène est ensuite acheminé vers le compresseur où il est comprimé en un gaz à haute température et haute pression, lequel est envoyé au condenseur situé à l’intérieur du tableau de bord. Le ventilateur souffle de l’air à travers le condenseur pour absorber la chaleur, puis l’envoie dans l’habitacle pour le chauffer.
Principaux avantages : Il ne consomme pas directement d’énergie électrique pour produire de la chaleur, mais la transfère de l’air. Son rendement énergétique élevé réduit les pertes d’autonomie et il est adapté aux environnements à basse température.
VIII. Alimentation énergétique : système de charge et gestion des batteries
L'efficacité de la charge et la sécurité de la batterie des véhicules électriques dépendent du travail collaboratif du système de charge et du système de gestion de la batterie (BMS) pour assurer une charge et une décharge efficaces de la batterie dans une plage sûre.
(I) Méthodes de charge : charge lente en courant alternatif et charge rapide en courant continu
Charge lente en courant alternatif :
Fonctionnement : La borne de recharge produit un courant alternatif qui est transmis au chargeur embarqué via la prise de recharge du véhicule. Le chargeur embarqué convertit le courant alternatif en courant continu pour recharger la batterie.
Caractéristiques : Vitesse de charge lente (il faut généralement plusieurs heures pour une charge complète), mais faible coût de l'équipement et faible perte de batterie, ce qui convient aux usages domestiques.
Recharge rapide en courant continu :
Processus de fonctionnement : La borne de charge effectue la conversion du courant alternatif en courant continu en interne et charge directement la batterie sans l’intervention du chargeur embarqué.
Caractéristiques : Vitesse de charge rapide (peut être chargé à 80 % de la puissance en une demi-heure) mais coût élevé de l'équipement et certaine perte de batterie, convient aux scénarios de bornes de recharge rapide publiques.
(II) Fonctions principales du système de gestion de la batterie (BMS)
Équilibrage de la batterie :
Le pack de batteries est composé de milliers de petites batteries connectées en série et en parallèle. Chaque batterie présente un état de charge et une puissance différents. Le système de gestion de batterie (BMS) effectue cet ajustement selon deux méthodes : l’équilibrage actif et l’équilibrage passif.
Équilibrage actif : à l’aide de composants tels que des condensateurs et des transformateurs, la charge excédentaire des batteries ayant une puissance suffisante est transférée aux batteries dont la puissance est insuffisante afin d’obtenir un équilibre de puissance.
Équilibrage passif : en utilisant des charges fictives telles que des résistances, la puissance excédentaire est consommée sous forme de chaleur afin de rendre la puissance de chaque batterie plus homogène.
Gestion de la température :
Il surveille la température de la batterie. Lorsque celle-ci est trop élevée ou trop basse, il active le système de gestion thermique et chauffe ou refroidit la batterie à l'aide d'un liquide de refroidissement afin de garantir son fonctionnement dans la plage de température optimale (généralement entre 20 et 40 °C), évitant ainsi les risques de surchauffe, d'incendie ou de dégradation des performances due à un froid excessif.
Protection de sécurité :
Il surveille en temps réel la tension, le courant et l'état de charge de la batterie afin de prévenir les anomalies telles que la surcharge, la décharge excessive et les courts-circuits. Pendant la charge, en cas de risque de surcharge, il coupe automatiquement l'alimentation de la borne de charge ; pendant la décharge, si le courant est trop élevé, il ajuste la sortie en temps réel pour préserver la durée de vie de la batterie et garantir une utilisation en toute sécurité.
IX. Récupération d'énergie : Principe de fonctionnement du système de freinage régénératif
Le système de freinage régénératif est une fonction caractéristique des véhicules électriques qui permet de convertir l'énergie cinétique récupérée lors du freinage en énergie électrique pour la récupération et le stockage, augmentant ainsi l'autonomie.
(I) Principe de base : Conversion bidirectionnelle entre moteur et générateur
Fonctionnement en marche avant (mode entraînement) : Le champ magnétique tournant généré par la bobine du stator coupe le rotor, induisant un courant et une force électromagnétique qui entraînent la rotation du rotor. Le moteur convertit ainsi l’énergie électrique en énergie mécanique.
Fonctionnement en marche arrière (mode production d'énergie) : lors du freinage, l'inertie du véhicule entraîne la rotation des roues, qui à son tour fait tourner le rotor du moteur. L'onduleur est alors piloté pour ajuster la fréquence du courant alternatif afin que la vitesse du rotor soit supérieure à celle du champ magnétique tournant. Le rotor coupe le champ magnétique, générant un courant induit inverse et inversant le couple pour obtenir la décélération. Le moteur se transforme ainsi en générateur, convertissant l'énergie cinétique en courant alternatif.
(II) Procédé de récupération d'énergie
L'onduleur redresse le courant alternatif généré par le générateur en courant continu ;
Le convertisseur CC convertit le courant continu en une tension correspondant à la tension de la batterie ;
L'énergie électrique convertie est stockée dans la batterie. Ce procédé permet d'augmenter l'autonomie de plus de 10 %.
X. Puissance multiple : véhicules hybrides et électriques à autonomie étendue
Outre les véhicules 100 % électriques, les véhicules hybrides et les véhicules électriques à autonomie étendue constituent des modèles importants dans la phase de transition, combinant les avantages du carburant et de l'électricité.
(I) Véhicules hybrides électriques (Véhicules hybrides électriques)
Structure de base : Équipé d'un moteur, de deux groupes motogénérateurs (MG1 et MG2), d'un onduleur et d'un pack de batteries au lithium avec un mécanisme d'engrenage planétaire comme noyau.
Modes de fonctionnement :
Conduite à basse vitesse : le moteur ne démarre pas et le MG2 entraîne les roues pour une conduite 100 % électrique, réduisant ainsi la consommation de carburant.
Conduite accélérée : La batterie alimente les MG1 et MG2. MG1 entraîne le moteur pour démarrer et le moteur et MG2 entraînent conjointement les roues pour fournir une puissance élevée.
Conduite à grande vitesse : Le moteur est le moteur principal et MG1 agit comme un générateur pour charger la batterie et MG2 pour maintenir la charge de la batterie.
Freinage/décélération : le MG2 passe en mode générateur, convertissant l’énergie cinétique des roues en énergie électrique pour charger la batterie.
Avantages : Pas d'angoisse liée à l'autonomie, respectueux de l'environnement grâce à son fonctionnement 100 % électrique à basse vitesse, rendement élevé du moteur à haute vitesse, adapté aux conditions routières complexes.
(II) Véhicules électriques à autonomie étendue
Structure principale : Équipée d’un groupe électrogène, d’une batterie et d’un moteur. Le moteur n’entraîne pas directement les roues, mais actionne uniquement le générateur pour produire de l’électricité.
Principe de fonctionnement :
Lorsque la puissance de la batterie est suffisante, le moteur entraîne les roues pour obtenir une conduite 100 % électrique ;
Lorsque la batterie est faible, le moteur thermique se met en marche pour entraîner le générateur et produire de l'électricité. Cette énergie électrique alimente le moteur thermique ou recharge la batterie, et le moteur thermique assure toujours la rotation des roues.
En résumé : ce véhicule appartient à la catégorie des véhicules 100 % électriques. Le moteur thermique sert uniquement de « batterie auxiliaire », résolvant ainsi le problème d’autonomie des véhicules électriques et offrant une expérience de conduite très proche de celle de ces derniers.
XI. Mise à niveau intelligente : Analyse technique du système de conduite intelligente
La conduite intelligente est l'une des compétences clés des véhicules électriques. Grâce à la collaboration de trois systèmes majeurs : perception, prise de décision et exécution, elle permet des fonctions de conduite assistée, voire de conduite autonome, améliorant ainsi la sécurité et le confort de conduite.
(I) Système de perception : les « yeux et les oreilles » des véhicules électriques
Le système de perception est composé de divers capteurs collectant des données environnementales afin de fournir une base pour la prise de décision :
Caméras : Elles identifient les informations visuelles telles que les lignes de voie, les panneaux de signalisation, les piétons et les véhicules grâce à des algorithmes qui analysent les risques potentiels, mais elles sont fortement influencées par la lumière.
Radar à ondes millimétriques : Détecte la distance, la vitesse et la direction des objets grâce à des ondes radio avec une longue portée de détection (plusieurs dizaines de mètres), non affectée par la lumière et les conditions météorologiques, palliant ainsi les défauts des caméras.
Radar à ultrasons : utilise des ondes sonores à haute fréquence pour mesurer la distance des objets proches ; principalement utilisé pour l’aide au stationnement et l’évitement des collisions à basse vitesse.
Lidar : Émet des faisceaux laser pour scanner l’environnement, générant des cartes 3D avec une grande précision de détection d’objets et pouvant identifier avec précision des conditions routières complexes, mais son coût est élevé.
(II) Système de décision et de contrôle : le « cerveau » des véhicules électriques
Traitement des données : Fusion et analyse des données multi-sources collectées par le système de perception, suppression des informations redondantes et extraction des caractéristiques clés (telles que les positions des obstacles, les informations sur les voies, les feux de circulation).
Formulation de la stratégie : Élaborer des stratégies de conduite selon des règles et des algorithmes prédéfinis (tels que des modèles d’apprentissage profond), y compris des instructions de fonctionnement telles que l’accélération, la décélération, la direction, le changement de voie et le stationnement.
Interaction homme-machine : Lorsque le système ne peut pas gérer les situations d'urgence, il rappelle au conducteur, par des signaux sonores et lumineux, de reprendre le contrôle du véhicule afin de garantir la sécurité de conduite.
(III) Système d'exécution : Conversion des instructions en actions
Le système d'exécution reçoit les instructions de décision et contrôle l'accélération, le freinage, la direction et d'autres fonctions du véhicule grâce à la technologie de commande électronique. Il s'appuie principalement sur les systèmes d'accélérateur, de frein et de direction électroniques mentionnés précédemment pour garantir la précision et la réactivité de l'exécution des instructions.
(IV) Normes de classification pour la conduite intelligente
Selon la classification de la Society of Automotive Engineers (SAE), la conduite intelligente est divisée en 5 niveaux :
Niveau 0 : Aucune automatisation, fonctionnement entièrement manuel par le conducteur sans aucune fonction auxiliaire.
Niveau 1 : Conduite assistée – le système offre une automatisation limitée (comme l’avertissement de sortie de voie du régulateur de vitesse adaptatif) et le conducteur doit contrôler le véhicule en permanence.
Niveau 2 : Conduite partiellement autonome – le système peut contrôler simultanément l’accélération et la direction (par exemple, l’assistance au maintien de voie ou l’assistance dans les embouteillages) ; le conducteur doit rester attentif et être prêt à reprendre le contrôle à tout moment.
Niveau 3 : Conduite autonome conditionnelle – le système effectue la plupart des opérations de conduite dans des environnements spécifiques (tels que les autoroutes) ; le conducteur n’a pas besoin d’observer en permanence, mais doit reprendre le contrôle lorsque le système le lui rappelle.
Niveau 4 : Conduite autonome de haut niveau : le système effectue toutes les tâches de conduite dans les zones couvertes par des cartes de haute précision sans intervention du conducteur (comme la navigation urbaine et le stationnement automatique).
Niveau 5 : Conduite entièrement autonome permettant une conduite autonome par tous les temps et sur tous les terrains ; le conducteur n'a besoin d'aucune intervention et peut se concentrer sur d'autres tâches.
À l'heure actuelle, la conduite intelligente des véhicules électriques grand public se situe principalement au niveau 2 d'assistance avancée. Les niveaux 3 et supérieurs de conduite autonome sont encore en phase de test et de promotion. La conduite entièrement autonome (niveau 5) doit encore surmonter de nombreux obstacles, notamment technologiques et réglementaires.
XII. Résumé : Cœur technique et tendances de développement des véhicules électriques
Le fonctionnement des véhicules électriques est le fruit d'une collaboration entre des composants essentiels : le moteur fournit la puissance en tant que « cœur », la batterie au lithium stocke l'énergie électrique en tant que « source d'énergie », le système de commande électronique coordonne et contrôle en tant que « cerveau », la transmission, la suspension et le châssis assurent la stabilité de conduite, les systèmes de commande électrique et de conduite intelligente améliorent l'expérience de conduite et les systèmes de charge et de freinage régénératif résolvent le problème de l'approvisionnement en énergie.
Du point de vue du développement technologique, les véhicules électriques évoluent vers une approche « plus efficace, plus sûre, plus intelligente et plus respectueuse de l'environnement » : les moteurs gagneront encore en efficacité énergétique et en densité de puissance ; les batteries au lithium évolueront vers une densité énergétique plus élevée, une vitesse de charge plus rapide et une durée de vie plus longue ; la conduite intelligente passera progressivement de la conduite assistée à la conduite autonome de haut niveau ; et les châssis modulaires et la technologie de commande électrique favoriseront la normalisation et la diversification de la recherche et du développement des modèles.
Il convient de noter que, malgré la maturité croissante de la technologie des véhicules électriques, les questions de sécurité doivent rester une priorité absolue. Qu'il s'agisse de la gestion thermique des batteries, de la fiabilité de la conduite intelligente ou de la stabilité des systèmes de commande électronique, une optimisation continue est indispensable. Les consommateurs, tout en profitant du confort offert par les véhicules électriques, doivent rester vigilants en matière de sécurité, notamment en mode de conduite intelligente, et être prêts à reprendre le contrôle du véhicule à tout moment pour garantir leur sécurité.
L'avènement des véhicules électriques a non seulement transformé les transports, mais a également favorisé la transition énergétique et la modernisation industrielle. Grâce aux progrès technologiques constants, les futurs véhicules électriques répondront de mieux en mieux aux besoins des utilisateurs, devenant ainsi le choix privilégié pour une mobilité durable et jetant les bases d'un écosystème de transport écologique et intelligent.
