Fonctionnement des moteurs électriques et hybrides

17 Sep 2018 | Infos conducteur

Que ce soit pour faire des économies de carburant et d’entretien ou par souci écologique, de nombreux automobilistes choisissent de se tourner vers l’électrique. On sait que les voitures électriques n’ont pas besoin de carburant puisqu’elles fonctionnent à l’électricité, mais savez-vous exactement ce qui se cache à l’intérieur de leur moteur ? Avatacar vous explique le fonctionnement et les différents types de moteurs électriques et hybrides.

 

Moteur électrique

Dans un véhicule électrique, c’est la batterie qui fournit au moteur toute l’énergie nécessaire. Celui-ci va ensuite transformer cette énergie électrique en énergie mécanique qui pourra faire avancer la voiture.
Le moteur électrique est divisé en deux parties : un stator (partie fixe) et un rotor (partie mobile). Le stator est placé autour du rotor. Il est composé de deux paires d’aimants, chacune comportant deux bobines de fils électriques (généralement en cuivre) disposées à chaque pôle opposé de l’aimant. Lorsque le stator est traversé par un courant électrique, il génère un champ magnétique qui entraîne la rotation du rotor. C’est grâce à cette rotation que le moteur se met en marche.

 

Les différents types de moteurs électriques

Il existe plusieurs types de moteurs électriques. Selon le type de moteur, la rotation du rotor est entraînée par différents moyens.

 

Moteur à aimants permanents

Le moteur à aimants permanents est le plus courant. On le retrouve par exemple sur la Chevrolet Volt, la Nissan Leaf, la Volkswagen e-Golf ou encore la BMW i3. Dans ce système, le rotor comporte lui aussi des aimants, qui vont être sollicités par le champ magnétique tournant créé par le stator. Suivant le principe selon lequel deux pôles Nord ou deux pôles Sud se repoussent, tandis qu’un pôle Nord et un pôle Sud s’attirent, un mouvement de rotation va se créer sous l’impulsion de la force magnétique.

Ce type de moteur présente deux principaux avantages : son fonctionnement est simple et il offre un très bon rendement (ratio de l’énergie réellement utilisée par rapport à l’énergie fournie par la batterie).

Mais il a également un inconvénient majeur : sa conception nécessite un matériau spécifique, les terres rares, dont la quasi-totalité de la production se trouve en Chine. Cela pose un véritable problème de dépendance : le jour où la Chine décidera de faire flamber les prix ou bien d’arrêter les exportations de ce produit à l’international, il ne restera plus vraiment de solution pour les constructeurs. En plus de cela, les méthodes d’extractions des terres rares sont de plus en plus critiquées sur le plan environnemental.

Cependant, d’autres solutions sont aujourd’hui mises en place par les constructeurs afin de limiter leurs besoins en terres rares. Par exemple, la Chevrolet Volt est aujourd’hui équipée d’aimants en ferrite remplaçant les aimants en terres rares.

 

Moteur à induction

Ce type de moteur est beaucoup plus rare. On le trouve sur les Tesla Model S et X. Dans ce système, le rotor n’est pas composé d’aimants, mais de plusieurs barres conductrices en cuivre disposées en cercle autour du rotor. Ces barres sont reliées à deux anneaux (un à chaque extrémité) également conducteurs. Un courant électrique est généré par la force du champ magnétique créé par le stator, ce qui entraîne la rotation du rotor.

Le moteur à induction présente l’avantage de ne pas nécessiter de terres rares, son coût est donc moins élevé que celui du moteur à aimants permanents. Il est également plus résistant. Son principal inconvénient est son rendement, qui, comparé au moteur à aimants permanents, est un peu plus faible.

 

Moteur à rotor bobiné

Ce moteur est présent sur la Renault Zoé ou la Smart Electric Drive. Comme le stator, le rotor est constitué de bobines de fils de cuivre conducteurs. Ces bobines sont alimentées en courant électrique continu. Comme dans le moteur à aimants permanents, c’est l’attraction et la répulsion des pôles Nord et Sud des bobines du stator et de celles du rotor qui provoquent la rotation du rotor.

Dans ce système non plus, les terres rares ne sont pas utilisées, cependant il présente également un fort inconvénient puisqu’il est plus encombrant et plus lourd qu’un moteur à aimants permanents ou à induction.

 

Moteur synchrone et asynchrone

Les moteurs à inductions sont dits asynchrones, car la vitesse de rotation du rotor est plus faible que celle du champ magnétique générée par le stator. Plus cet écart de vitesse est important et plus le rendement du moteur sera faible.

A contrario, les moteurs à aimants permanents et à rotor bobiné sont synchrones : l’écart de vitesse entre les deux rotations est égal à zéro. Le rendement est donc meilleur, c’est pourquoi ces deux types de moteurs sont beaucoup plus plébiscités par les constructeurs.

 

L’électronique de puissance

Comme dans une voiture thermique, le moteur électrique n’est pas le seul élément qui a un rôle à jouer dans la propulsion du véhicule électrique. Il fait partie du groupe motopropulseur (couramment appelé GMP) et fonctionne en concordance avec l’électronique de puissance et le réducteur (ou boîte de vitesse à un rapport).

C’est l’électronique de puissance qui permet de transmettre au moteur l’énergie stockée dans la batterie, afin que celui-ci la convertisse ensuite en énergie mécanique par le biais des différents mécanismes que nous venons de voir. Il va prendre en compte différents paramètres tels que la force appliquée par le conducteur sur la pédale de frein et d’accélérateur ou encore la charge de la batterie, afin d’adapter le courant électrique et donc la vitesse de rotation et le couple du moteur.

L’électronique de puissance comporte un onduleur qui est indispensable au bon fonctionnement du moteur électrique. En effet, c’est cette pièce qui permet de transformer le courant continu délivré par la batterie en courant alternatif qui ira alimenter le moteur électrique. Avant d’arriver au moteur, le courant passe dans le boîtier d’interconnexion, qui a pour rôle d’adapter son intensité pour le distribuer ensuite au moteur.

L’onduleur est réversible, c’est-à-dire qu’il fonctionne dans le sens contraire lorsque le conducteur relâche la pédale d’accélérateur. Il transforme alors le courant alternatif envoyé par le moteur en courant continu, qu’il retransmet à la batterie afin de la recharger, toujours par le biais du boîtier d’interconnexion.

Source : Renault

 

Performance du moteur électrique

Au niveau de la performance, la principale différence entre un moteur électrique et un moteur thermique se situe au niveau du couple, c’est-à-dire, la force du mouvement de rotation du moteur.

Le couple délivré par le moteur thermique augmente au fur et à mesure que le régime moteur augmente, tandis que le moteur électrique délivre un couple maximal à n’importe quel régime. En effet, dans un moteur électrique, le démarreur est remplacé par un condensateur de démarrage. Ce petit cylindre permet de stocker l’énergie nécessaire au démarrage, afin de pouvoir fournir un couple maximal dès le départ. C’est la raison pour laquelle une voiture électrique n’a pas besoin d’une boîte de vitesse. Concrètement, cela induit plus de puissance au démarrage et lors des reprises.

Lisez notre article pour connaître la différence entre couple et puissance moteur.

Un moteur électrique est aussi plus efficace qu’un moteur thermique. En effet, le rendement du moteur technique se situe en général autour de 80%, tandis que celui d’un moteur thermique oscille entre 20 et 30%.

 

Entretien du moteur électrique

Comme nous venons de le voir, un moteur électrique a un fonctionnement et une structure beaucoup moins complexes qu’un moteur thermique. Il est constitué d’une dizaine de pièces mobiles au maximum, tandis qu’un moteur thermique en comporte environ 2000. Par conséquent, le moteur électrique nécessite beaucoup moins de changements de pièces, ce qui signifie moins de passages au garage et moins de coût d’entretien (on estime la différence de coût à 30-40%).

De plus, il faut également prendre en compte qu’un moteur électrique n’utilise pas d’huile, il n’a donc pas besoin de vidange.

Enfin, sa longévité est plus élevée que celle d’un moteur thermique (il peut parcourir jusqu’à 1 millions de kilomètres, parfois plus, en fonction de sa qualité !). Au moment de votre achat, il sera donc indispensable que vous preniez en compte la qualité du moteur (pour cela, n’hésitez pas à vous renseigner autour de vous !).

 

Moteur hybride

Les véhicules hybrides sont dotés d’une double motorisation : thermique et électrique. Il existe quatre types de fonctionnement de l’hybride.

 

Les différents types d’hybride

Hybride série

Dans ce système, le moteur électrique est le seul utilisé pour faire avancer le véhicule. Le moteur thermique est quant à lui employé pour recharger la batterie permettant de faire fonctionner le moteur électrique. Ainsi, le moteur thermique est uni à un générateur électrique dont le rôle est de convertir l’énergie thermique créée par le moteur en énergie électrique venant alimenter la batterie. Enfin, comme dans une voiture électrique, la batterie est également rechargée lors du freinage. Ce système est aujourd’hui très peu utilisé. On le retrouve sur la version REX de la BMW i3.

 

Hybride parallèle

Les deux moteurs sont liés aux roues et peuvent donc participer à la propulsion du véhicule. Selon la situation (conditions de conduite, par exemple), trois cas de figure sont possibles : le moteur électrique fonctionne seul, le moteur thermique fonctionne seul, ou les deux moteurs fonctionnent en même temps. En règle générale, le moteur électrique est surtout utilisé dans des conditions de conduite urbaine, tandis que le moteur thermique est sollicité lorsque le véhicule a besoin de plus de puissance, c’est-à-dire sur route ou sur autoroute. Contrairement à l’hybride série, c’est le moteur électrique qui joue le rôle de générateur et permet de recharger la batterie. Ce système est présent sur les modèles hybrides de Honda ou Mercedes, entre autres.

 

L’hybride série/parallèle

Il s’agit du système le plus complexe. Comme son nom l’indique, il combine l’hybridation série et l’hybridation parallèle. Ainsi, le moteur thermique participe aussi bien à la propulsion de la voiture qu’à la recharge de la batterie. Le passage de l’un à l’autre se fait automatiquement en fonction des besoins de la voiture. Les moteurs hybrides fonctionnant en série/parallèle sont associés à un répartiteur d’énergie. Celui-ci permet à la fois de faire tourner le moteur électrique et de recharger les batteries, l’une et l’autre fonction s’équilibrant selon les conditions de conduite dans le but d’assurer le meilleur rendement possible. Enfin, l’hybride série/parallèle est équipé d’un inverseur/convertisseur qui permet de régler le courant alimentant la batterie et le moteur électrique.

 

Hybride léger

Dans ce type de fonctionnement, c’est le moteur thermique qui entraîne les roues, cependant le moteur électrique viendra l’aider dans certaines situations, comme par exemple lors des démarrages ou dans les montées.

 

Hybride essence ou diesel ?

Aujourd’hui, les véhicules hybrides à motorisation essence sont les plus courantes. Et pourtant, si l’on prend l’exemple de Peugeot-Citroën, cela n’a pas forcément toujours été le cas. En effet, aux débuts de l’hybride, le constructeur avait décidé de privilégier le diesel, qui consomme en moyenne 1,5 litre de carburant en moins qu’un moteur essence pour le même trajet à vitesse équivalente. Avec l’émergence des véhicules hybrides, l’idée était de réduire la consommation de carburant : il semblait donc logique d’utiliser du diesel pour renforcer encore cette diminution.

Cependant, l’utilisation d’un moteur diesel pour un véhicule hybride présente certains inconvénients qui expliquent que les constructeurs se soient majoritairement tournés vers l’essence :

  • Le diesel est plus polluant que l’essence, ce qui va à l’encontre du principe même de la voiture hybride. Parmi les gaz rejetés, les particules fines (qui malgré les filtres à particules, ne peuvent pas être totalement éliminées) sont très dangereuses pour la santé.
  • Un moteur hybride diesel est plus cher à produire qu’un hybride essence, du fait de son système de dépollution obligatoire.
  • Ce système de dépollution représente une charge supplémentaire, aussi bien en poids qu’en place. Or, la batterie d’un véhicule hybride représente déjà une charge non négligeable à prendre en compte.
  • De plus, le diesel offre un confort de conduite moindre par rapport à l’essence, notamment lors des démarrages où les bruits et les vibrations sont plus forts.
  • Enfin, un moteur essence a plus d’utilité à être accompagné d’un moteur électrique, puisqu’il présente plus de difficultés qu’un moteur diesel lors d’un effort à bas régime (démarrage ou reprise).

 

Performance du moteur hybride

Grâce à sa partie électrique, qui fonctionne de la même manière que le moteur d’un véhicule électrique, le moteur hybride offre lui aussi un couple maximal immédiatement disponible. Pour cette raison, c’est la partie électrique du moteur qui est sollicitée lors des démarrages ou reprises.

L’autre avantage du moteur hybride est que, grâce à l’aide apportée par la partie électrique lorsque la voiture a besoin d’une plus grande force de traction, la partie thermique nécessite moins de puissance. Or, si le moteur thermique est moins puissant, cela signifie aussi qu’il consomme moins de carburant (entre 5 et 70% d’économie en fonction du type de route et du niveau d’hybridation).

 

Entretien du moteur hybride

Le moteur hybride nécessite un entretien moins fréquent qu’un moteur thermique. En effet, du fait de la présence d’un deuxième moteur électrique, le moteur thermique du véhicule hybride est beaucoup moins sollicité et s’use moins rapidement. Ainsi, on estime que la vidange d’un moteur hybride essence doit être réalisée tous les 15 000 km, tandis que pour un véhicule diesel elle doit être effectuée tous les 10 000 km.

De plus, certaines pièces du moteur thermique nécessitant un entretien spécifique, voire un remplacement, n’existent pas sur un moteur hybride. C’est le cas du démarreur, de la courroie de transmission, du filtre à particules, de l’alternateur ou encore de l’embrayage.

Comparé à un moteur thermique, l’entretien d’un moteur hybride représente donc une économie non négligeable.

 

Attelages

 

Sources : guillaumedarding.fr ; Avere France ; Numerama ; Wikipédia ; Challenges ; Futura Planète.