Pourquoi les écarts/variations de consommation sont plus importants sur les voiture électriques
Plan de l'article :
La propulsion électrique induit des consommations bien différentes qu'avec un moteur "conventionnel" thermique, avec des écarts qui sont bien plus importants. Il est par exemple facile de passer de 13 à 26 kWh de consommation aux 100 km (soit +100% entre un usage et un autre), les thermiques se limitent généralement à des écarts qui s'élèvent grosso modo à +40/50% sur une essence (7 à 10 litres) et plutôt +20/30% sur les diesel (6 à 8 litres). Autre antagonisme, la voiture thermique dépensera plus d'énergie à basse vitesse qu'à des allures plus élevées (jusqu'à une certaine limite évidemment), c'est l'inverse sur l'électrique (bien que les très basses vitesses ne soient pas idéales non plus en électrique).
Nous allons donc ici expliquer quelles sont les raisons à cela, car c'est en effet la concomitance de plusieurs effets qui mènent à ce phénomène.
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Deux manière de dépenser l'énergie
Les voitures thermiques et électriques valorisent de manière très différente l'énergie qu'elles transportent. Alors que la voiture thermique consomme tout le temps de l'énergie, même à l'arrêt (moteur tournant), la voiture électrique ne dépense son énergie que pour ce qui est nécessaire. Quand vous roulez à basse vitesse (disons 30 km/h), la voiture électrique ne dépensera que ce qui est nécessaire pour arriver à cette vitesse. La voiture thermique aura quant à elle tendance à dépenser plus que ce qui est nécessaire à cause de son moteur qui tourne continuellement mais aussi d'une grande quantité d'énergie qui est perdue en chaleur (environ 60 % en chaleur sur une thermique, et plutôt 15% sur une voiture électrique au niveau de la batterie et du moteur qui chauffent eux aussi un peu).
Ce type de moteur déploie trop de puissance sur les basses vitesses, ce qui le rend inefficient à ces allures. Il faut donc comprendre que le moteur thermique surconsomme à basse vitesse, ce qui réduit l'écart de consommation entre les basses et hautes vélocités. Il engloutit une grande quantité d'énergie quelque soit la situation, ce qui amenuise les différences en durcissant les contraintes. Et puis lors des accélérations le moteurs thermiques passe à chaque rapport à un niveau de régime qui développe beaucoup de puissance (= grosse consommation), sur une électrique on peut atteindre ces vitesses en n'utilisant que le nombre de chevaux utiles à l'obtention de cette vitesse (sans passer par des pics de puissance inutiles).
Un moteur thermique est une machine "lancée" dont le cycle perpétuel nécessite un apport énergétique (carburant) continuel tandis que la voiture électrique stoppe toute consommation à l'arrêt ou même lors de la décélération (mieux, elle reprend de l'énergie lors de la récupération). Un thermique fonctionne entre 1000 et 5000 tours alors qu'une électrique va de 0 à 20 000 tours, on peut donc avoir un moteur qui ne consomme plus rien à l'arrêt ou à la décélération, tout comme profiter de très basse consommation à basse vitesse en raison de régimes pouvant être très faibles (avec un thermique ça cale).
Voiture thermique, son moteur a une plage de régime limité et il commence aux alentours de 900 tours/minute
Pour résumer, une voiture thermique contient beaucoup d'énergie (1 litre est environ égal à 10 kWh !) avec environ 500 kWh à bord pour un réservoir de 50 litres. Une grosse voiture électrique de 100 kWh a donc à peu près l'équivalent de 10 litres de carburant maximum ... Pour se mouvoir, la thermique va utiliser environ 200 kWh (20 litres) de ses 500 kWh tandis que l'électrique va employer 85 kWh de ses 100 kWh à disposition, soit l'équivalent de 8.5 litres.
La plage de régime de la voiture électrique est immense, avec un régime qui débute dès 1 tour/minute (pas nécessaire d'avoir une rotation constante comme sur un thermique)
La voiture électrique embarque très peu d'énergie mais elle va l'utiliser de manière bien plus efficiente pour obtenir du mouvement (et non pas perdre beaucoup de cette dernière en chaleur).
On aura donc de micros consommations en électrique quand la sollicitation est faible (ne dépense que ce qui est nécessaire) alors qu'en thermique on sera déjà à des niveaux assez élevés dès les plus petites vitesses, mais cela s'explique aussi en grande partie à cause de la transmission et de la plage de régime très restreinte du thermique.
Régime moteur et rapports de transmission
L'autre différence se situe au niveau de la transmission qui se limite à un seul rapport sur une électrique. Un moteur électrique qui fonctionne avec des électrons et des boîtiers de puissance peuvent atteindre des régimes extrêmement élevés (on peut avoir des fréquences "d'injection d'électrons" très grandes), chose qui est impossible avec des pièces mobiles lourdes tels les pistons et autre vilebrequin (des tensions électriques peuvent être gérées et injectées sur des fréquences très grandes, pas l'injection d'une voiture et encore moins ses pièces mobiles très inertielles). Avec un moteur thermique on atteint dans les 5000 tours/minutes sur les voitures communes, alors que sur une électrique on monte plutôt vers les 20 000 tours/minutes comme on l'a dit précédemment.
Cela induit obligatoirement l'apparition d'une boîte de vitesses pour les voitures thermiques, car dans le cas contraire il faudrait trouver un rapport intermédiaire qui fonctionnerait sur une plage maximale de vitesse, à savoir le troisième rapport en général. Mais ce serait quand même fastidieux avec des accélération très molles et des vitesses de pointe très limitées (on aurait alors des écarts de consommation qui se rapprochent un peu plus des voitures électriques).
Sur une voiture électrique on peut s'en passer en raison de son régime maximal très important mais aussi grâce son couple élevé et constant sur la majorité de la plage de régime (du plus bas au plus haut). Le rendement étant aussi assez similaire (il baisse un peu toutefois) sur l'ensemble de cette plage.
Et si l'idéal serait quand même d'avoir une boîte sur les voitures électriques (comme le fait Porsche d'ailleurs), les protagonistes ont abandonné car il n'y a pas d'équipementier qui propose quelque chose d'assez solide (les transmissions disponible sur les marché sont conçues pour fonctionner avec des couples plus modestes) et le gain à espérer est trop anecdotique en terme de rendement.L'idéal serait d'avoir trois rapports selon l'un des plus grands équipementiers de la planète.
A lire aussi : pourquoi les voitures électriques accélèrent plus fort ?
Capacité à consommer de l'énergie en "volume"
N'oublions pas que le moteur électrique peut engloutir bien plus énergie qu'un moteur thermique en pleine charge (ça dépend évidemment aussi des spécificités de batterie et moteur) ... En effet, les moteurs thermiques sont bien plus limités en terme de débit de carburant (pompe de gavage etc.) mais aussi au niveau de l'absorption par le moteur (taille des chambres de combustion, injecteurs, suralimentation qui ne peut pas non plus monter à 10 bars etc.). La voiture électrique peut injecter beaucoup de tension quand on presse fort l'accélérateur (on est à plus de 400V, le débit d'énergie est autrement plus massif), un peu comme si on avait une pompe à carburant qui serait assurée par un Karcher ou une lance à incendie ! Bref, techniquement il est aisé de pouvoir créer un "pont énergétique" généreux entre batterie et moteur de voiture électrique, alors que sur une thermique il faudra faire bien plus d'effort pour arriver à un équivalent (et il faut aussi une cylindrée qui puissance absorber tout cela)..
Les régimes élevés atteignables par les moteurs électriques en sont un autre indice, car plus ce dernier est haut plus il faut pouvoir injecter d'énergie pour l'entretenir, sans oublier que les besoins en énergie pour accélérer encore plus le mouvement évolue de manière exponentielle.
On pourra donc faire exploser plus facilement la consommation sur une voiture électrique si on s'amuse à trop la solliciter (tout dépend aussi de la puissance du moteur évidemment).
Voici deux extrêmes que j'ai un peu provoqué de manière intentionnelle. La consommation du haut est négative (j'ai réinitialisé le compteur en haut d'une longue descente) et celle du bas plutôt très lourde (en tirant sur la mécanique)
Régénération
Avec la régénération, on accroît encore plus les possibilité de réduire les chiffres de consommation (et donc le delta entre basse et haute consommation). En effet, sur un faux plat légèrement en descente on peut parfois parcourir une bonne distance sans ne rien consommer, voire même avancer tout en remplissant sa batterie ! La régénération accentue donc les écarts de consommations possibles sur une voiture électrique. Je vous invite à revoir le premier graphique en haut de page qui montre des distances parcourues en récupérant de l'énergie (zones en vert).
En rouge la consommation instantanée et en bleu la récupération instantanée. L'e graphisme change car nous sommes sur deux modes de conduites différents (mais c'est la même auto, Kia EV6)
Comment limiter la casse ?
Si l'ajout d'une transmission serait idéal sur une voiture électrique, certains cherchent d'autres moyens d'y parvenir. On peut citer Tesla qui pour les hauts régimes emploie la réluctance variable afin de limiter l'afflux énergétique à haut régime.
Sur les autos à deux moteurs on peut aussi monter des rapports de ponts de ratios différents, un pour les basses vitesses et un autre pour les plus hautes.
Conclusion
Le résultat de toute cela est qu'on a des voitures électriques qui ont des écarts de consommation bien plus importants que sur les thermiques :
- Sur le thermique : dépense énergétique qui est importante dès les plus basses vitesses en raison d'un moteur qui fonctionne sur la même plage de régime qu'à plus haute vitesse. Que je sois à 60 de moyenne en ville ou à 120 km/h de moyenne sur autoroute, le régime moteur sera à peu près le même, seul le rapport de transmission sera différent. On a donc des consommations qui se rapprochent assez entre base et haute vitesse, puisqu'en bas je consomme déjà pas mal et en haut je compense par une boîte de vitesses qui permet de rester sur des régimes raisonnables. Un moteur thermique a sa consommation liée à son régime et non sa vitesse.
- Sur l'électrique : je peux consommer quasi rien à basse vitesse en raison de la sollicitation très faible du moteur (régime et "volume" d'énergie injectée). A contrario à haute vitesse j'ai un régime très élevé et donc des injections d'électrons bien plus nombreuses. La manque de rapport de transmission décuple donc encore plus le phénomène, et on a un moteur qui consomme d'autant plus qu'il va vite car son régime est directement corrélé à sa vitesse (cela en raison de l'absence de transmission à plusieurs rapports).
L'écart se justifie donc par le fait que l'électrique ne va dépenser que ce qu'il a besoin, alors que le thermique va dépenser beaucoup d'énergie dès les plus petites sollicitations, faisant alors croire qu'il reste assez sobre à haute vitesse. On a donc des écarts plus importants de consommations.
Pour finir de comprendre expliquons ce qui se passe en ville et sur autoroute :
- Thermique / ville : on a beau être à basse vitesse le moteur fonctionne sur des plages de régimes aussi importantes qu'à haute vitesse. Résultat, on a des consommations plus importantes car avec ces mêmes régimes on parcourt moins de distance. Cette grosse consommation à basse vitesse réduit donc mécaniquement l'écart possible entre haute et basse vitesse, avec même une inversion ici par rapport à l'électrique , plus on roule vite moins on consomme (tant qu'on ne va pas jusqu'au sur-régime, ce qui est le cas en pointe sur le rapport le plus haut)
- Electrique / ville : on a des régimes très faibles car la vitesse est réduite (pas de boîte = corrélation entre régime et vitesse) et des besoins en puissance très limités, ce qui induit de petites consommations (sans oublier que le moteur ne consomme rien quand on est à l'arrêt, comme une "super" stop and start. Je ne parlerai pas ici de la régénération qui permet d'encore accentuer le trait)
- Thermique / autoroute : on est sur une plage de régime qui reste finalement un peu moins élevée qu'en ville tout en ayant une vitesse bien supérieure, on a donc une consommation bien plus réduite par rapport au milieu urbain.
- Electrique / autoroute : on est sur des régimes moteur très importants et donc un nombre d'injections d'électrons en fréquence élevée, la consommation explose avec de surcroit une autre corrélation faite avec la trainée aérodynamique (la vitesse augmente les besoins en énergie de manière exponentielle à cause de l'aérodynamisme principalement. Plus d'infos ici)
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