4) La consommation
Sur une voiture électrique, le bilan énergétique est
relativement simple. On distingue deux postes de consommation
distincts.
a) Les organes périphériques
ce sont tous les équipements extérieurs au moteur de la voiture. On
pense notamment à la climatisation, très gourmande en énergie (1 à 2,5
kW). S’ajoutent à cela les phares (100 à 200w), la radio, les
lève-vitre, ainsi beaucoup d’autres petits postes de consommation
(lampes, éclairages tableau de bord, sondes actives, GPS,
limiteur/régulateur, etc…).
Aujourd'hui, le travail consiste donc à abaisser ces consommations.
Pour les postes d'éclairage, notamment dans les feux, l'utilisation de
diodes électro luminescentes tend à se généraliser. En ce qui concerne
la climatisation et le chauffage, des sortes de pompes à chaleur
pourraient faire leur apparition. Un passage à 42v est même envisagé,
pour remplacer le 12v actuel. En augmentant la tension, les pertes
dues à la distribution diminuent, et permettent par ailleurs un
allègement des câbles.
Cette puissance n’est utilisée que lorsque les équipements
fonctionnent.
Une avancée intéressante est celle proposée par Toyota sur sa dernière
Prius. Pour un surcoût raisonnable (de l'ordre de 1000 euros), le
constructeur nippon propose de doter son véhicule phare d'un toit
composé de cellules photovoltaïques. La production d'électricité,
après avoir été redressée, est injectée dans les batteries, pour en
augmenter l'autonomie. Malgré le rendement très contenu du dispositif,
et un surplus de poids, le gain est réel, et permet de rouler en
partie grâce à une énergie renouvelable. Si l'on reste dans notre
logique, on peut dire que cet organe (le toit) à une consommation
négative.
b) Le moteur
il s’agit bien sûr du principal poste de consommation du véhicule.
Pour un moteur électrique, il faut distinguer deux puissances
distinctes : la puissance absorbée (Pa), et la puissance effective (Pe).
Ces deux grandeurs sont reliées par le rendement n du moteur, qui est
une grandeur sans unité comprise entre 0 et 1. Dans le cas des moteurs
utilisés sur des voitures électriques, ce dernier est de l’ordre de
0.97. Si on le compare avec celui d’un moteur thermique (à essence),
qui varie de 0.1 à 0.2, on prend conscience de l’intérêt de ces
moteurs.
Exemple, un moteur électrique absorbe une puissance Pa de 30kW, et
affiche un rendement de n = 0.97.
On aura donc une puissance effective Pe = 0.97 x 30 = 29.1kW
0.9 kW ont donc « disparu » lors de la conversion d’électricité en
énergie mécanique, sous forme d’énergie calorifique. C’est très
faible, puisque sur un moteur à essence de même puissance, on aurait
perdu :
Pe = 29.1 et n = 0.15
P(perdue) = 29.1/0.15 – 29.1 = 164.9kW
Cela implique un système de refroidissement bien plus réduit (et
léger) sur une voiture électrique.
Cette puissance est consommée lors de l’accélération. Selon la
première loi de Newton (principe de l’inertie), on pourrait se dire
qu’à vitesse constante, la voiture (électrique ou non) ne consomme
rien. Bien sur, c’est faux. La consommation est d’une part due aux
frottements mécaniques après le moteur (transmission, contact
roues/route), et à la résistance de l’air.
On peut modéliser cette résistance à l'air par l’équation :
F = ½ Cx * Mv(air) * S * v²
Cx : coefficient aérodynamique sans unité, de 0.32 à 0.5 selon la
carrosserie.
Mv(air) : Masse volumique de l’air : environ 1.2kg/m3
S : surface au vent du véhicule : 1,7 à 3 m2
v : vitesse, en m/s
Si l’on fait une analyse dimensionnelle sur les unités :
Kg/m3 * m2 * m/s * m/s
« = » (kg * m2 * m * m) / (m3 * s * s)
« = » kg.m/s²
La force s’exprime donc en kg.m par seconde au carré, ce qui est
l’équivalent du Newton (N).
Par la suite, pour calculer la « consommation » due à ces frottements,
on multiplie cette force par la vitesse :
P = F * v
La encore, analyse dimensionnelle :
N * m/s
« = » W
(En effet, un newton mètre par seconde correspond à un watt.)
Exemple global :
Véhicule moyen roulant à 130 km/h :
Cx = 0.4
S = 2m²
v = 36m/s
Puissance souhaitée du véhicule : 100 chevaux vapeur, soit 74kW (voir
tableau de conversion cv/watt)
Puissance souhaitée des équipements annexes : 3,5kW
F = 0.5 * 0.4 * 1.2 * 2 * 36 * 36
622 N
P = 622 * 36
22.4 kW
Le moteur devra donc être en mesure de délivrer (74+22.4)=96.4kW.
Si son rendement est de 0.97, sa on devra lui "envoyer" 99.4W. Et donc
au total, on devra installer des batteries capables de délivrer
(99.4+3.5) = 103kW.
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