Nous tenterons de décrire de manière approfondie le système électrique d'une voiture conventionnelle, des micro-hybrides, des hybrides et des voitures électriques. Mais avant d'entrer dans le vif du sujet, nous allons expliquer de manière synthétique certains concepts nécessaires à la compréhension du système électrique. Nous omettrons les capteurs, les relais, les fusibles et autres accessoires pour ne pas prêter à confusion. Si vous connaissez déjà ces concepts, vous pouvez passer au point suivant. Et pour ceux qui ne le font pas, je vais essayer d'être aussi didactique que possible.
Concepts précédents
Comme nous le disions, nous allons voir certaines choses qui nous sont familières, mais que nous ne connaissons peut-être pas en profondeur. Pour ce faire, nous ferons une analogie avec un système hydraulique, plus intuitif et plus facile à comprendre.
- Actuel : Connu en électricité par le symbole "A", pour ampère. Il mesure essentiellement le flux (quantité par unité de temps) d'électrons passant dans un fil. Par analogie avec un tuyau, qui serait le débit en litres par seconde. Plus le courant est élevé, plus le fil doit être épais. Comme dans un tuyau, plus le débit est important, plus le diamètre nécessaire est grand.
- Tension : Son symbole est "V", de volt. C'est une mesure du potentiel électrique, et l'analogie en hydraulique serait la pression dans un tuyau. Plus la pression est élevée, plus le courant peut être important (c'est pourquoi il s'agit d'un potentiel). C'est comme un robinet fermé (interrupteur) : il maintient la pression (tension) du tuyau (câble), mais il n'y a pas de flux (courant). Mais si elle est ouverte, nous avons un flux (courant).
- Résistance : La résistance est connue sous le symbole "R" et se mesure en ohms, en l'honneur de M. Georg Simon Ohm, qui a énoncé une loi très importante pour l'électricité, que nous verrons plus tard. En continuant avec l'analogie électrique, ce serait un étranglement dans notre tuyau. Cela permet de modifier le flux (courant) que nous avons dans le circuit. Mais au prix d'une perte de pression (tension) qui est dissipée sous forme de chaleur.
- Condensateur : Le condensateur a le symbole "C" et est mesuré en farads, en l'honneur de Michael Faraday. En électricité, il a deux fonctions : placé en série, il bloque le courant continu et laisse passer le courant alternatif. Et en parallèle, il serait comme un petit magasin de courant : il le stocke et le libère quand c'est nécessaire. En analogie hydraulique, on pourrait le comparer à un réservoir intermédiaire, pour maintenir le débit dans le tuyau.
- La loi d'Ohm : La loi d'Ohm met en relation la tension, le courant et la résistance. Elle stipule simplement que : V = I * R. Ainsi, nous pouvons calculer la résistance, si nous connaissons la tension et le courant : R = V / I, ou le courant si on connaît la tension et la résistance : I = V / R.
- Puissance électrique : La puissance électrique est mesurée en watts et porte le symbole "w". Il est calculé comme suit : P = V * I. En utilisant la loi d'Ohm, on peut aussi l'exprimer comme suit : P = V² / R ou P = I² * R.
- Tension/courant continu : la tension ou le courant continu est celui qui provient des batteries. Elle est toujours constante, elle ne varie pas entre le positif et le négatif. En anglais, il est connu sous le nom de DC (direct current).
- Tension/courant alternatif : il s'agit de la tension ou du courant que nous avons dans les prises de courant à la maison. Cette tension/courant oscille du positif au négatif 50 fois par seconde (50 Hz). C'est-à-dire qu'elle varie de +220 V à -220 V à 50 Hz. En anglais, il est connu sous le nom de AC (alternate current).
- Haute tension : Pour notre cas dans la voiture, ce sera quand on aura l'ordre de centaines de volts (100 à 600 V normalement). Nous l'appellerons HV. Dans le cas de la conception de réseaux de distribution ou de production d'électricité, la tension est beaucoup plus élevée, de l'ordre de milliers de volts.
- Basse tension : A l'intérieur de la voiture sera le réseau de 12 V ou 48 V, dans les anciens modèles était de 6 V. Nous le connaîtrons sous le nom de LV
Les concepts sont assez lourds, mais nécessaires pour comprendre le comportement d'une batterie. C'est un peu comme les pièces d'un puzzle. Maintenant, il aura l'air désordonné, mais à la fin de l'article, les pièces seront ordonnées et auront un sens. Examinons les paramètres les plus importants des deux composants fondamentaux : la batterie et le moteur/générateur électrique.
La batterie
Nous allons maintenant parler des batteries, élément fondamental de tout système électrique d'un véhicule, et d'autant plus important à l'heure de l'électrification des voitures. En sachant comment ils fonctionnent, nous comprendrons beaucoup mieux les concepts appliqués aux véhicules hybrides et électriques.
Pile et batterie
Si vous avez lu l'article de notre collègue Dinesh, vous aurez vu une explication très détaillée du fonctionnement d'une pile au plomb. Attends, c'est quoi une cellule ? Regardez l'image en haut de cette partie : c'est une Tesla Model S nue. Si vous regardez de près, vous pouvez voir qu'il y a des centaines de cellules cylindriques à l'intérieur. Pour les experts du domaine, c'est l'unité minimale qui remplit la fonction de production d'électricité à partir d'une réaction chimique. Il s'agit essentiellement d'une norme de production. Une batterie sera composée de deux ou plusieurs cellules en série (généralement) pour obtenir la tension souhaitée. Dans le cas d'une batterie automobile, chaque cellule plomb-acide produit de l'ordre de 2 V nominal. Par conséquent, une batterie de voiture comporte 6 éléments en série. C'est-à-dire, 6S. Que signifie 6S ? Regardons ça.
Types de batteries
Maintenant que nous connaissons la différence entre une cellule et une batterie, voyons quels types de batteries il existe, en fonction de la configuration des cellules. Ceux d'entre vous qui aiment les modèles réduits d'avions le savent très bien. Comme une batterie est un regroupement de cellules, selon la façon dont elles sont placées, nous obtiendrons une batterie différente, en fonction de ce que nous voulons obtenir. Si on les place en série, c'est indiqué par "S", et si en parallèle, par "P".
Prenons un exemple. Imaginons que nous ayons 4 cellules LiFePo4 de 3,2 V et 1 Ah. Les quatre configurations que nous pouvons obtenir sont :
- 4S: Les 4 cellules en série. Nous aurons la somme des tensions, mais le même courant. Par conséquent, la batterie 4S sera de 12,8 V et 1 Ah.
- 4P: Les 4 cellules en parallèle. Nous aurons la même tension, mais la somme des courants. La batterie 4P qui en résulte sera de 3,2 V et 4 Ah.
- 2S2P: Nous plaçons d'abord deux cellules en série (6,4 V et 1 Ah), puis nous les mettons en parallèle avec deux autres. La batterie résultante serait de 6,4 V et 2 Ah.
- 2P2S: Si nous plaçons deux cellules en parallèle (3,2 V et 2 Ah) et les connectons en série avec un autre bloc égal, nous obtenons une batterie de 6,4 V et 2 Ah. Même résultat que 2S2P, mais avec une différence subtile. Dans ce cas, toutes les cellules sont connectées, ce qui permet de mieux équilibrer les courants.
En bref : si nous avons besoin de plus de tension, nous ajoutons des cellules en série. Si nous avons besoin de plus de courant, nous ajoutons des cellules en parallèle.
La chimie de l'électricité
Selon le type de composés chimiques utilisés à l'intérieur de la cellule, nous obtiendrons des caractéristiques spécifiques en matière de densité énergétique, de cycles de charge/décharge, de tension, de courant, etc. Je joins un tableau récapitulatif pour que vous puissiez voir les différences d'un seul coup d'œil.
Pour ce qui nous intéresse, les NiMH sont ceux de Nickel Metal Hydride (comme utilisé par Toyota dans la Prius). Ceux qui portent ce nom imprononçable, LiMnxNiyCozO2, sont des lithium-ion, comme ceux que nous avons dans nos téléphones portables. Une variation du composé est souvent utilisée, comme chez Tesla, qui utilise du LiNiCoAlO2. Mais de manière générale, ils sont appelés Lithium Ion. Et enfin, l'acide de plomb, que nous transportons dans la voiture. Remarque : les batteries AGM ou gel ont des tensions légèrement différentes de celles des batteries au plomb.
Et pourquoi ai-je écrit ce "tocho" ? Eh bien, il faut précisément comprendre le point suivant, qui est essentiel dans le système électrique. Comment l'énergie est stockée dans la batterie.
Tension de charge et de décharge
En fonction de la tension que nous voyons dans le tableau des cellules, selon leur chimie, et en quelques marges, une cellule sera chargée ou déchargée. Prenons l'exemple de la pile au plomb. Si sa tension (ou son voltage) atteint 2,4 V, il est chargé. Et s'il a 1,9 V, il est déchargé. Si nous multiplions cette tension par les cellules en série que nous avons (rappelez-vous 6S), cela nous donne une limite de 14,4 V pour la charge et 11,4 V pour la décharge complète environ. Au-delà de ces valeurs, nous détruirons la batterie.
Chaque type de cellule, aura certaines valeurs recommandées par le fabricant, charge et décharge. En général, ils ne doivent pas être chargés à plus de 100 % (en dépassant la tension de charge maximale), et déchargés à moins de 20 %. Dans le cas du plomb-acide, une décharge de 20% serait juste à 12 V. En maintenant ces marges de sécurité, nous garantissons que nous ne détruirons pas la batterie tout au long de ses cycles de charge et de décharge. C'est pour cette raison que même si un fabricant annonce une certaine capacité dans sa batterie, la marge utilisable est moindre. La batterie ne sera jamais en dessous de 20%. Et généralement, il n'atteindra pas non plus 100 %, pour laisser la place à la recharge par freinage régénératif. Par conséquent, lorsque vous voyez une certaine capacité de batterie, tenez-vous-en à 70 %, ce qui est réellement utilisable.
À quelle vitesse puis-je charger et décharger une batterie ? Eh bien, ça dépend de sa chimie. Le fabricant de la cellule nous donne la valeur recommandée en charge et en décharge en facteur "C". Par exemple, nous avons une cellule LiFePo4, avec 3,2 V nominal, 20 Ah (ampères par heure), 2 V comme point de décharge maximum, et 3,7 V comme charge maximum, et nous dit d'utiliser 1 C en charge et 5 C en décharge. Eh bien, il suffit de multiplier par la quantité d'Ah que possède la batterie. Dans ce cas, nous pouvons charger la cellule avec 20 A, et décharger 20 x 5 = 100 A.
Puissance
Quelle est la puissance de cette cellule ? Si on multiplie la tension par le courant, on obtient 64 W en charge et 320 W en décharge.
Voyons maintenant une batterie de voiture, et comment interpréter les données. Par exemple, un 12 V, 60 Ah et 680 CCA (Cold Cranking Amps). Le CCA serait la capacité de décharge maximale de la batterie, et si nous divisons 680 par 60, nous voyons qu'il est d'environ 11 C. La puissance nominale de la batterie serait de 12 x 60 = 720W. La puissance maximale serait de 12 x 680 = 8 160 W.
Expliquons ce que signifie Ah. Les ampères par heure nous donnent une idée de la capacité de la batterie. Cela signifie que si nous utilisons 60 ampères de décharge, la batterie sera vidée en une heure. Si on utilise 30 ampères, ça durera deux heures. Et ainsi de suite.
Chargement de la cellule
Alors comment le faire payer ? C'est là que la courbe de charge entre en jeu. La charge comporte généralement trois phases : la charge à tension constante, la charge à courant constant et la maintenance. Dans la première phase, le courant reste constant et la tension de la batterie augmente. Lorsqu'elle atteint sa tension maximale, la tension reste constante et la batterie consomme moins de courant au fil du temps. Lorsque le courant approche de zéro, la batterie est entièrement chargée. A partir de là, nous allons baisser un peu la tension, et laisser un petit courant de maintien.
Par conséquent, plus une cellule fournit de courant, plus elle peut être rechargée rapidement et plus sa puissance sera élevée. C'est ce que fait notre téléphone portable tous les jours, lorsque nous le connectons au chargeur.
La vie d'une cellule
Passons maintenant à la vie des cellules. Outre le respect de la tension maximale et minimale, il est important de les maintenir dans leur température de fonctionnement. Les batteries ont aussi une résistance, donc lorsqu'elles sont chargées et déchargées, elles deviennent chaudes. Ils n'aiment ni le froid ni la chaleur excessive. Leur température idéale ? Comme la nôtre : environ 25 ºC, avec 5 ºC en plus ou en moins. À cette température, ils fonctionnent bien et dureront toute leur vie sans problème. À une température plus élevée, il offrira un peu plus de performances, au prix de l'usure de la batterie. À des températures plus basses, les performances baissent rapidement. Il est donc nécessaire de contrôler leur température pour obtenir de bonnes performances.
Pourquoi s'usent-ils ? Explication rapide : avec la charge et la décharge, les électrodes se dilatent et se contractent, produisant au fil du temps des microfissures qui entraînent une baisse des performances de la cellule. Le nombre de cycles que nous avons vu dans le tableau précédent garantit qu'après ce nombre, la cellule conserve 80% de sa capacité. Par conséquent, au fil du temps, la cellule stockera moins d'énergie. C'est pourquoi la batterie de notre mobile dure moins longtemps, plus elle est longue. N'oubliez pas que ces cycles sont pour une charge complète, c'est-à-dire que lorsque vous atteignez 0% et que vous le chargez à 100%. Par conséquent, si vous le rechargez deux fois de 50% à 100%, cela comptera comme un seul cycle.
Le moteur/générateur électrique
Un générateur électrique est un appareil qui transforme le mouvement en électricité. Un moteur électrique transforme l'électricité en mouvement. C'est aussi simple que cela. Il en existe différents types, en fonction de leur conception. Mais ils ont en commun qu'il y a toujours une partie mobile (rotor) et une partie fixe (stator).
En général, il y a réciprocité dans les moteurs électriques : si vous les faites bouger, ils produisent de l'électricité. Et aussi dans les générateurs : si vous leur appliquez de l'électricité, ils bougent. C'est pourquoi on les appelle généralement des machines électriques, car fondamentalement, un moteur et un générateur sont la même chose, juste utilisés de manière différente. Le fait qu'ils puissent être à mouvement alternatif dépend de leur conception, principalement de l'électronique associée.
Prenons l'exemple de l'alternateur d'une voiture. Sa fonction est de générer de l'électricité, et à l'origine, il ne fonctionne pas comme un moteur. Avec quelques petites modifications dans son électronique, il est possible de l'utiliser comme moteur électrique. Pour simplifier, nous allons classer les moteurs/générateurs en deux types : ceux qui fonctionnent/génèrent du courant continu (CC) - quelqu'un se souvient-il des voitures Scalextric - et ceux qui fonctionnent/génèrent du courant alternatif (CA). Pour continuer avec l'exemple de l'alternateur de la voiture, il génère du courant alternatif. Mais il le convertit en courant continu grâce à l'électronique.
Nous en avons fini avec la partie ennuyeuse de la théorie, et nous avons posé les bases pour comprendre comment sont conçus les systèmes électriques de toute voiture. Dans la prochaine partie, nous verrons les différences entre eux...
