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Les moteurs des voitures électriques peuvent-ils encore progresser ?

Le moteur électrique a près de 200 ans, mais il n’a finalement eu que bien peu de considérations des industriels de l’automobile jusqu’ici. Les choses changent ces dernières années, et les évolutions sont encore possibles.

30 %, c’est le rendement moyen d’un moteur thermique moderne sous le capot d’une voiture en circulation depuis quelques milliers de kilomètres. Certains vont au delà de cette valeur, et certains sont bien en dessous, mais il faut bien avouer que c’est bien peu après plus de 100 ans de progrès en tout genre : multiples arbres à cames en tête avec calage variable pour optimiser les moments d’ouverture des soupapes, lubrification de pointe, alliages internes à faible friction, allumage piloté et désactivation de cylindres (voire mode roue libre), le moteur essence de 2022 est sans commune mesure avec celui des années 20. Mais il n’arrivera probablement jamais au rendement d’un moteur électrique, pouvant aller jusqu’à 0,9. 90 % de l’énergie consommée par une machine synchrone ou asynchrone peut effectivement être transformée pour faire tourner le rotor et l’axe, si l’on ne tient pas compte des pertes à la recharge. Une valeur que l’industrie entend toutefois encore améliorer : paradoxalement, le moteur électrique dédié à l’automobile, qui offre déjà un rendement de premier ordre, n’a finalement pas vraiment attiré les constructeurs jusqu’ici occupés à investir des milliards dans le thermique. Le moteur électrique a 200 ans, mais cela ne fait qu’une poignée d’années que les équipementiers et constructeurs se penchent dessus.

L’électrique ira plus vite que le thermique

les moteurs des voitures électriques peuvent-ils encore progresser ?

L’éclaté du moteur électrique utilisé par Lucid, qui a intégré le différentiel dans le rotor© Lucid

La tâche n’est pas aisée pour les fabricants de moteurs électriques et équipementiers. Si, dans les grandes lignes, la technologie n’évoluera que très peu (nous aurons toujours un couple stator/rotor), c’est dans les détails que le diable se cache. Par exemple, la complexité du bobinage : comment passer plus de cuivre, tout en minimisant la taille du moteur et en maîtrisant la chaleur interne du moteur ? Puissance, masse, encombrement, refroidissement, jouer sur l’ensemble des tableaux est un vrai casse-tête, mais des entreprises ont récemment démontré qu’il était possible de franchir certaines limites. Le constructeur Lucid a notamment imaginé un moteur qui intègre le différentiel… dans le rotor. Résultat : l’unité motrice est nettement plus compacte. Et légère, aussi : la puissance massique de ce moteur est de 10 chevaux par livre (450 grammes). Le moteur à aimants permanents développe 670 ch pour à peine 67 kg sur la balance. Cherchez un moteur thermique de ce poids capable de délivrer une telle puissance !

“Je ne m’attends pas à ce que le moteur électrique doive parcourir un si long chemin pour être optimal”, explique Dirk Kesselgruber, le patron d’ePowertrains chez GKN, gros équipementier anglais spécialisé dans les transmissions et moteurs (source : Automobilwoche). Il fait évidemment le parallèle avec le temps qu’il a fallu pour faire progresser les moteurs à combustion.

D’autres contraintes s’ajoutent au bobinage. Un moteur électrique de voiture moderne peut atteindre des vitesses très élevées : plus de 20 000 tr/mn. A ces régimes, il est primordial de gérer les forces centrifuges au niveau des pièces mobiles et du bobinage : “la manière dont les aimants sont maintenus et la manière dont ils maintiennent ces régimes élevés est tout aussi importante que la manière dont un collecteur d’admission est réglé”, commente Tim Grewe, directeur général de la stratégie d’électrification et de l’ingénierie cellulaire de GM.

Aujourd’hui, la solution idéale serait finalement le moteur synchrone à rotor bobiné. L’investissement initial est plus grand (le bobinage est plus complexe que d’utiliser un simple aimant permanent), mais le rendement du moteur synchrone et l’absence de terres rares en font de sérieux arguments. C’est la technologie choisie par Renault depuis des années, et qui sera appliquée au prochain moteur de 200 kW.

Les moteurs… et le reste !

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L’électronique de puissance va jouer un rôle prépondérant dans les futures évolutions© BMW

Une voiture électrique, c’est une batterie, un moteur mais aussi et surtout toute l’électronique de puissance qui pilote et marie tout ce beau monde. Là encore, les progrès sont importants depuis quelques années. Pilotage toujours plus fin du moteur, utilisation de circuits de plus en plus sophistiqués et une matière qui intéresse désormais les constructeurs : le carbure de silicium (SiC). Ce fameux carbure de silicium que l’on trouve aussi sur certains disques de ponçage ! C’est aussi un semi-conducteur au même titre que le silicium massivement utilisé aujourd’hui par les constructeurs, mais à une grosse différence près : le SiC est bien plus résistant et dégage moins de chaleur. Moins de chaleur, c’est moins de pertes, et donc un meilleur rendement global. “Les semi-conducteurs en carbure de silicium fixent de nouveaux standards en matière de vitesse de commutation, de réduction des pertes de chaleur et de dimensions”, explique Bosch. Et qui dit meilleur rendement, dit meilleure autonomie ! Certains annoncent une augmentation de l’autonomie de l’ordre de 6 % en passant au carbure de silicium. Malheureusement, le SiC reste cher, et en dehors de Porsche et Toyota qui nous ont confirmé utiliser du carbure de silicium, ces semi-conducteurs sont encore peu utilisés en automobile.

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