Véhicule électrique, batteries, freinage régénératif :comment ça marche ?

Pour bien comprendre le fonctionnement d’un véhicule électrique, il n’est pas inutile de se replonger dans des souvenirs d’école, voire de recourir à l’analogie de la chute d’eau. 

Le voltage (Volt, V) : permet de mesurer la tension électrique. Dans notre analogie, le voltage représente la hauteur de la chute d’eau.

L’ampérage (Ampère, A) : permet de mesurer l’intensité électrique. Dans notre analogie, l’ampérage représente le débit du cours d’eau.

Le Watt (W) : l’unité de puissance d’un système débitant ou absorbant une intensité de 1 ampère sous une tension de 1 volt. Dans notre analogie, la puissance de la chute d’eau est donc la combinaison de sa hauteur et de son débit. C’est l’unité que nous utiliserons pour mesurer la puissance de charge d’un véhicule électrique.

Selon la formule suivante : Puissance (W) = Tension (V) * Intensité (A)

Kilowattheure (kWh) : unité d’énergie permettant de mesurer une quantité d’électricité consommée par un appareil, ou stockée dans une batterie.

Courant alternatif (AC) : c’est le courant fourni par nos prises domestiques ou encore les bornes de recharge (hors bornes de recharge rapide). C’est également celui qui fait fonctionner les appareils électriques. Avant de pouvoir être stocké dans la batterie, le courant alternatif doit être converti en courant continu via le chargeur embarqué (OBC) du véhicule (aussi appelé convertisseur).

Courant continu (DC) : c’est le courant pouvant être stocké dans les batteries. Les bornes de recharge rapide délivrent du courant continu.

La batterie transforme l’énergie chimique en énergie électrique et permet de stocker cette dernière pour mieux la restituer au moment voulu.

Une batterie est formée de deux électrodes, l’électrode négative ou anode, et l’électrode positive ou cathode, plongées dans un électrolyte, une substance conductrice liquide ou solide, et reliées à l’extérieur par un fil conducteur. En schématisant, on peut dire que lorsque la batterie est en fonctionnement, l’électrode négative émet des électrons qui passent par le fil et sont absorbés par l’électrode positive, constituant un courant qui alimente le moteur. Pour stabiliser le système, un échange d’ions positifs s’effectue entre les deux électrodes via l’électrolyte. Quand la batterie est en phase de recharge, avec un apport extérieur d’électricité, les mouvements sont inversés.

Même s’il existe plusieurs technologies et que les départements de R&D des entreprises poursuivent leurs travaux, notamment sur les batteries dites solides, en l’état actuel des choses, les constructeurs automobiles utilisent principalement des batteries lithium-ion, similaires à celles qui équipent nos téléphones portables ou nos ordinateurs, même si elles sont naturellement de taille plus importante.

En effet, les batteries lithium-ion disposent d’une haute densité d’énergie, c’est-à-dire qu’elles peuvent stocker plus d’énergie que les autres technologies de batteries. En outre, elles se rechargent rapidement et supportent de nombreux cycles de recharge. Enfin, elles ne perdent pas en capacité lorsqu’elles ne sont pas utilisées.

Le courant stocké dans la batterie est ensuite orienté vers un ou plusieurs moteurs électriques. La rotation s’effectue par le rotor du moteur, sous l’action d’un champ magnétique généré dans le stator (la bobine statique du moteur). L’efficacité et la régularité des flux dirigés vers les roues de la voiture sont gérées par un système de management de la batterie (BMS) qui garantit aussi la sécurité de l’ensemble.

C’est grâce à ce fonctionnement que les véhicules électriques peuvent se passer de boîte de vitesses manuelle, un élément complexe et fragile. De même, le groupe motopropulseur d’une voiture électrique nécessite beaucoup moins de pièces que celui d’un modèle thermique et par extension de lubrifiants.

Le freinage régénératif

Le véhicule électrique comme les voitures hybrides présentent la particularité de pouvoir récupérer l’énergie lors des phases de décélération (lorsqu’on lève le pied de l’accélérateur) et de freinage pour la transformer en électricité et réalimenter les batteries. Communément appelé « freinage régénératif », cela présente au moins trois avantages : un plaisir de conduite accru (qui peut être de surcroît exploité dans le cadre de l’écoconduite), une moindre utilisation des freins (et donc, une réduction de ce poste budgétaire), une préservation de l’autonomie (l’autonomie annoncée par les constructeurs ne tient pas compte du potentiel du freinage régénératif). En outre, plusieurs modèles de véhicules électriques proposent une fonction de gestion de l’intensité de ce freinage régénératif via un système de palettes au volant.

Les voitures hybrides rechargeables agrègent une motorisation thermique et une motorisation électrique fonctionnant avec une batterie rechargeable. Trois modes de conduite sont ainsi disponibles : roulage 100% thermique, roulage 100% électrique et mode combiné. Le véhicule hybride rechargeable réunit donc le meilleur des deux mondes, mais il faut bien définir son usage avant de le choisir, car son utilisation en zéro émission reste limitée et son coût est supérieur à celui d’un véhicule 100% électrique.

Il est très prisé par les flottes pour sa polyvalence : en effet, il permet d’assurer les trajets quotidiens, domicile-travail par exemple, en zéro émission et lève le frein de l’autonomie pour les grands déplacements. Il se recharge comme un véhicule 100% électrique.

Pour bénéficier des aides à l’achat disponible, il doit faire valoir une autonomie supérieure à 50 km en mode 100% électrique.

On peut d’ailleurs rappeler que la catégorie des véhicules hybrides comprend aussi des véhicules qui ne sont pas 100% électriques :

La voiture hybride (HEV), souvent appelée full hybride, associe un moteur thermique et une batterie électrique de taille modeste qui se recharge lors des phases de freinage. En revanche, elle ne peut pas être rechargée par une source d’électricité extérieure. Si le système permet de réduire la consommation globale du véhicule, son autonomie en zéro émission est limitée à quelques kilomètres.

La voiture à hybridation légère (MHEV pour mild hybrid) associe aussi un moteur thermique, une batterie, le plus souvent 48V, un alterno-démarreur et un convertisseur. Alimenté par la batterie, l’alterno-démarreur vient « soulager » le moteur thermique. La batterie n’est pas rechargeable et dans cette configuration, le véhicule n’avance pas en mode électrique. Le gain attendu se situe au niveau d’une moindre consommation et par extension, d’émissions polluantes légèrement réduites.

Le véhicule à hydrogène est un véhicule électrique

S’il est encore rare sur les routes, le véhicule à pile à hydrogène (FCEV pour Fuel Cell Electric Vehicle) est une technologie maîtrisée par quelques rares constructeurs automobiles, seulement deux sur le marché français dont Hyundai. Ces véhicules sont équipés d’une batterie lithium-ion et d’une pile à combustible à hydrogène qui exploite l’hydrogène stocké dans des réservoirs. Hyundai fait partie des pionniers de cette solution et commercialise le SUV NEXO, qui a pris la relève du ix35. Leader sur ce marché, Hyundai a déjà démontré que cette solution était viable et qu’elle constitue une voie écologique d’avenir.

La France a bien compris que l’hydrogène était un vecteur d’énergie porteur de remarquables promesses. Dans le cadre du plan gouvernemental France Relance, entériné en 2020, le volet consacré à l’hydrogène est dense et doté d’un budget de près de 9 milliards d’euros d’ici 2030. L’objectif consiste notamment à favoriser la production d’hydrogène vert, ou “décarboné”, et à lui faire atteindre une part significative du mix énergétique du pays (supérieure à 10 %).

Sous l’impulsion de la France et de l’Allemagne, l’Europe est au diapason, comme l’illustre la mise en place du Projet important européen commun en matière d’hydrogène (PIIEC) ou l’Alliance européenne pour l’hydrogène propre (ECH2A).

Ces efforts et ses investissements convergents vont aussi permettre le développement d’un réseau public de distribution de l’hydrogène de grande envergure, afin de garantir un avitaillement aisé.

On a souvent tendance à présenter le véhicule électrique de manière monolithique, alors qu’à l’instar des véhicules thermiques traditionnels, il offre un réel choix de motorisations. Selon le volume de la batterie, c’est-à-dire le nombre de cellules qui la composent, un véhicule électrique propose différentes puissances et plusieurs niveaux d’autonomie. La puissance est exprimée en kilowatts (kW), plus rarement en watts (W), et peut naturellement être convertie en chevaux (ch).

Chez Hyundai, vous trouverez ainsi le SUV KONA Electric proposé sous deux motorisations : 39 kWh ou 64 kWh. IONIQ est disponible avec une batterie de 38,3 kWh, tandis que le nouveau IONIQ 5 décline deux offres de batteries, 58 kWh ou 73 kWh. En fait, il y a même trois versions de IONIQ 5, la batterie de 73 kWh réservant une version HTRAC à transmission intégrale. Une offre qui est appelée à s’étoffer dès cette année avec le lancement attendu de IONIQ 6.

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Avec le choix des finitions, cela offre au client et au collaborateur bénéficiant d’un véhicule de service ou de fonction une vaste profondeur de gamme.

En somme, on se retrouve dans un schéma classique. Le juste choix doit s’opérer selon le budget et les usages réels du véhicule : nature des trajets effectués, infrastructures de recharge disponibles, etc. Les performances attendues, sous l’angle de l’agrément de conduite comme de l’autonomie, ont aussi leur importance. À ce propos, comme pour les voitures thermiques, l’autonomie d’un véhicule électrique est conditionnée par le style de conduite.

Enfin, la puissance des batteries a une incidence sur les modalités et le temps de recharge du véhicule. Par exemple, grâce à sa technologie avancée, IONIQ 5 est compatible avec les chargeurs rapides 400 V et 800 V. À titre indicatif, la voiture se recharge de 10 % à 80 % en seulement 18 minutes sur une infrastructure délivrant 800 V.

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On l’aura compris, l’entretien courant d’un véhicule électrique est bien plus simple que celui d’un modèle thermique. Tout d’abord, un véhicule 100% électrique embarque beaucoup moins de pièces mécaniques, étant notamment dépourvu d’embrayage, de boîte de vitesses manuelle, de courroie de distribution, de durite, de joint de culasse, etc. De même, il n’a pas de ligne d’échappement et ne nécessite pas de vidange. Par ailleurs, son fonctionnement sollicite moins les freins et les pneumatiques, deux autres postes budgétaires importants pour la maintenance des véhicules thermiques. En outre, les batteries de traction ont une durée de vie supérieure à dix ans et contrairement à une idée reçue, en cas de perte d’efficacité, on peut les réparer car il s’agit le plus souvent de remplacer des cellules défectueuses, mais pas l’ensemble du pack. L’entretien d’un véhicule électrique reste donc important naturellement, mais il est limité.

En découle un avantage économique, de l’ordre de 30% de coûts d’entretien en moins pour un véhicule de gamme moyenne de type Hyundai KONA. L’impact sur le TCO (Total cost of ownership ou coût total de détention) est naturellement très significatif. D’autant que les visites d’entretien en concessions automobiles sont plus espacées, ce qui réduit le temps homme qui y est consacré pour une flotte et ses collaborateurs.

Pour les véhicules hybrides rechargeables, la situation diffère légèrement dans la mesure où ils sont aussi équipés d’un moteur thermique. Toutefois, si le potentiel électrique du véhicule est bien utilisé, les coûts d’entretien sont aussi moins importants que pour un modèle thermique, pour les raisons que nous venons d’évoquer.

L’entretien des véhicules électriques doit naturellement être réalisé par un professionnel agréé, dans les concessions automobiles du réseau Hyundai. En effet, l’intervention sur les systèmes électriques, surtout le haut voltage, nécessite des formations spécifiques et l’obtention de certifications, gages de sécurité et de qualité. Dans le réseau Hyundai, les concessions et les points de services sont naturellement habilités à réaliser ces interventions et les opérateurs experts de la maintenance des véhicules sont formés en permanence pour délivrer ces prestations.

Enfin, il est important de rappeler que les véhicules électriques bénéficient de la garantie constructeur. Hyundai propose ainsi 5 ans de garantie kilométrage illimité, 2 ans d’assistance gratuite, 5 ans de contrôle annuel gratuit sur toute sa gamme. Et pour les véhicules hybrides et électriques, les batteries sont couvertes par une garantie de 8 ans ou 160 000 km.