Bases mécaniques pour éviter les abus des publicitaires, commerciaux et autres bonimenteurs automobiles !
Bases de physique appliqués aux autos !
Depuis quelques années,bien après les miracles techniques des Citroën Traction (1934), 2 cv (née TPV en 1939), DS (1955) et autres SM (1970), la propagande bat son plein via le petit
cercle des experts d’autant plus médiatiques qu’ils sont
‘tendance’ et donc souvent peu objectifs.
Voici quelques éléments de physique mécanique irréfutables pour comprendre par vous même, les qualités et les défauts principaux des véhicules actuels incluant ceux à propulsion électrique...
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| Connaitre le passé, c'est anticiper l'avenir ! |
Propagande de guerre…
...économique pour commencer ! Que ce soit sur la pollution des diesels, quasiment réglée depuis les filtres à particules (dès EURO 5 en janvier 2011 puis Euro 6 et VI coté poids lourds) ou sur les performances globales des véhicules électriques, il est plus que temps d’exposer quelques lois de physique basique pour expliquer leurs réalités.
Concernant le premier thème, veuillez vous reporter aux solides réflexions et articles réalisés sur l’excellent site de mon confrère ingénieur C.Martz sur https://www.econologie.com/forums/pollution-air/les-mensonges-de-l-activisme-ecologiste-sur-la-pollution-t16428.html qui tord le cou aux idées reçues, sur un fond, bien réel lui, de rééquilibrage (surtout en France) de l’offre et de la demande en gazole/essence. Logiquement, on peut penser à un puissant lobbying de Total soucieux d’éviter l’importation de gazole et l’exportation de l’essence en surplus qui sort inévitablement du baril de brut lors du raffinage.
D'une extrême à l'autre...
Simultanément, depuis la Renault Zoé française, les médias généralistes s’intéressent parfois aux véhicules électriques (VE).Mieux, Parisianisme oblige, ils sont présentés comme la solution évidente à notre vraie fausse pollution automobile ! En prime, la conduite autonome dans un monde surpeuplé ou le plaisir de conduite a été banni...Parés de toutes les vertus et politiquement si correct qu’ils ont droit à des subventions publiques, le VE est vite devenu le Graal roulant dans les principaux médias du pays le plus nucléarisé du monde, ceci expliquant cela..
Effectivement, avec plus de 3/4 d’électricité d’origine nucléaire, recharger une voiture électrique sur le secteur revient juste à déplacer et empirer la pollution. De ce fait, assignés en 2013 devant le jury de déontologie publicitaire par Stéphane Lhomme, les 6 principaux constructeurs actuels de VE ont été condamné à corriger leurs slogans publicitaires trompeurs. Depuis cette décision de justice, les abus marketing de véhicules dits propres, écologiques ou verts sont interdits dans leur promotion surtout avec l’utilisation d’électricité nucléaire (source :http://www.observatoire-du-nucleaire.org/spip.php?article34) .
En effet, au chapitre des avantages, le VE possède de solides arguments bien perceptibles par les utilisateurs et pas seulement les concepteurs : après plus d’un siècle de tyrannie pétrolière, l’avenir de l’automobile leur appartient clairement !
Sûrement pas grâce à la philanthropie des constructeurs, toujours à la recherche des profits maximums, mais plutôt sous la contrainte de certaines normes européennes et les amendes qui en découlent. A commencer par la moyenne maximale de CO2 de la gamme entière d’une marque donnée. S’il n’est pas le pire des gaz à effet de serre, il est de loin celui que l’homme produit le plus massivement depuis plus de 150 ans et tout particulièrement après la seconde guerre mondiale… Or, pour les véhicules thermiques, cette valeur est directement reliée à la consommation de carburant. Pour 2020, le parlement européen a adopté une réforme fixant le seuil de 95 g/km CO2 au lieu de 130 actuellement.
À présent que le vrai-faux scandale VAG Diesel a éclaté depuis les USA, sans trop éclabousser le bachotage et l’optimisation des performances des véhicules de tous les autres constructeurs, on peut penser que les véhicules électriques sont et seront du pain béni pour atteindre cet objectif en 2020 pour éviter les pénalités. Puisque les VE purs, comprenez non hybrides, sont gratifiés de 0 gr/CO2 km (localement vrai), il suffira d’en avoir au catalogue pour baisser instantanément la moyenne d’une marque donnée ! Il semble bien que ce soit la stratégie déjà adoptée en 2010 par PSA en rebaptisant des Mitsubishi I-Miev en Peugeot Ion et Citroën C-Zéro…
De toute façon, les 30 000 lobbyistes accrédités au parlement Européen, ont déjà saboté ce projet vertueux avec des sanctions financières (trop) faibles, un calcul du taux de CO2 avantageant les véhicules lourds et diverses dérogations...
Conclusion évidente, le seul véhicule véritablement propre reste celui que l’on n’a pas besoin de fabriquer, d’utiliser et de « recycler » !
Physic’s don’t LIE !
Traduisez : « les faits sont têtus ! ». Par conséquent, leurs données chiffrables et (re)vérifiables ne changent pas selon qui mandate un « expert » ou l’orientation industrio-financière du patron du média ou de l’opinion que souhaite imposer le média via l’intervieweur. Ceci étant posé, entrons donc dans le vif du sujet.
Prenons le cas le plus simple d’un véhicule à roues qui se déplace sur un sol horizontal et à vitesse constante, donc sans accélérer ou décélérer (freinage). Il est soumis à plusieurs forces (en Newton) mais seulement deux s’opposent à son déplacement en équilibre avec la force de traction :
la traînée aérodynamique ;
la traînée de roulement.
La première s’écrit T1= K x VxV, K étant un coefficient dépendant du véhicule comprenant le fameux SxCx (S : surface frontale du véhicule ; Cxp : coefficient de traînée (longitudinale de pression). Comme vous l’aviez deviné V sera la vitesse (en m/s svp !) et sera primordiale puisque elle est au carré ici ! Notez que cette traînée est prépondérante dès 60 à 80 km/h selon les modèles de véhicules et que la traînée de frottement visqueux peut être négligée en automobile.
La seconde force antagoniste est la traînée de roulement de formule : T2= P x Cr. P étant le poids en N soit m x10 et Cr le coefficient de roulement. Cette fameuse résistance au roulement que Michelin (Energy Saver 1992) puis tous les autres manufacturiers essayent désespérément de réduire sans (trop) diminuer l’adhérence en virage et au freinage sur sol mouillé. Notez que les roues en acier d’un train sur les rails du même métal assurons coefficient de frottement environ 10 fois plus faible que le pneumatique en caoutchouc ! C’est encore pire si vous roulez sous-gonflé même légèrement...sans parler des risques d’éclatement à haute vitesse.
En résumé, quelque soit la motorisation, il faudra minimiser les traînées aérodynamiques et de roulement du véhicule sous peine de nécessiter une force ou une puissance de traction aussi fortes pour maintenir son mouvement !
Autrement dit, pour une autonomie donnée, il nous faudra moins d’énergie en minimisant ces 2 pertes principales.
Comment ?
Que la motorisation soit thermique ou électrique ou autre, nos ingénieurs doivent commencer par concevoir une gazelle roulante au lieu d’essayer de dégraisser l’un des nombreux éléphants actuels. C’est pourquoi Tesla, Chevrolet (Opel), Renault (Zoé) et PSA avec sa CMP2 sont tous partis d’une feuille blanche pour la prochaine génération de VE en 2020...
Pour éviter les erreurs majeures et majoritaires actuelles, les constructeurs doivent imposer des voitures bien conçues. Pour cela, le cahier des charges doit être établi par la direction technique en fonction des besoins réels des clients en accord avec la direction générale mais plus forcément avec celle d’un marketing bien trop futile et toujours dépassé par les impératifs d’une technique rationnelle.
L’allègement passe donc d’abord par une conception astucieuse, puis des procédés de mise en œuvre et de fabrication optimisés. Enfin, utiliser le bon matériau au bon endroit fera le reste sans besoin d’utiliser des matières exotiques et hors de prix.
Second point, malgré la chute continue des vitesses moyennes, il faut soigner l’aérodynamique globale.
Pas seulement celle qui se voit (ailerons et autres spoilers) mais surtout celle qui sera efficace (aérodynamique interne et des soubassements).
La France, pays de la naissance de l’aéronautique, possède un savoir-faire de très haut niveau et elle le prouve depuis longtemps mais sporadiquement à travers certains prototypes sans suites commerciales réelles, notamment la remarquable Renault Eolab.
Malheureusement, en série, on a vite dérivé très loin à cause de la tyrannie du style et des stupides décisions marketing qui flattent "l'égo-isme" des clients (SUV, 4x4 et autres ludospaces).
Et côté traction ?
En résumé, la traction, naturellement plus stable qu’une propulsion, doit équilibrer les deux précédentes forces voire la dépasser dans les phases d’accélération.
Grâce à l’optimisation de la masse à vide et de l’aérodynamique du véhicule, on peut se contenter d’une motorisation moins puissante, de moins d’énergie à emporter, d’un système de freinage réduit et de pneumatiques moins voraces : un véritable cercle vertueux. À condition de ne pas surcharger le véhicule d’équipements et de gadgets inutiles !
Notez que sous la contrainte des normes Euro en CO2 avec des amendes à la clé, tous nos constructeurs ont été obligés de réduire la cylindrée et même le nombre de cylindres de leurs moteurs. Plus connu sous le terme de downsizing, Panhard, marque française et doyenne mondiale d’avant-garde, l’avait appliqué avec succès sur toute sa production après 1945. Citons en exemple sa grande berline Dyna Z 54 intégralement réalisé en Dural(umin) née fin 1954. Résultats pratiques : une berline de 640 kg, six places, plus de 130 km/h réels avec 42 CV ( Cx : 0,23) et 7 L/100 km : la digne descendante de la référence Mathis 333 (3 l, 3 places, 3 roues) du brillant ingénieur Jean Andreau, dès 1946 ! Que nous reste t il de ce bel élan imposé par les restrictions d’après guerre ?
La revanche de l’électrique !
Reprise volontaire de l'excellent et révoltant documentaire sur la GM EV1 en Californie voici plus de 20 ans à voir ici : https://www.youtube.com/watch?v=GXJnS9RgKsg
Née à la fin du XIXe siècle, les VE étaient bien présents avant d’être supplanté par leurs cousins à essence dès 1910...Notez que le VE de record baptisée ‘jamais contente’ fut la première automobile a dépasser 100 km/h avec des batteries françaises Fulmen…
Avec les 3 lois de base en incluant la force motrice, on peut déjà cerner les qualités et les défauts inhérents aux véhicules routiers thermiques ou électriques. Si vous préférez raisonner sur des puissances, il suffit de multiplier ces mêmes forces par la vitesse du mobile. Ainsi vous noterez que la puissance nécessaire à l’avancement croit avec le cube de la vitesse ! Autrement dit, pour aller 2 fois plus vite, il faudra (2x2x2) 8 fois plus de puissance, ce qui impactera d’autant l’autonomie ! Y compris pour une certaine Renault Zoé en essai presse à 130 km/h au Portugal !
Intéressons-nous aux cas des véhicules électriques purs et simples en reprenant nos trois lois.
Traînée aérodynamique
Au niveau aérodynamique, la très faible quantité d’énergie disponible dans les batteries et le désir marketing d’offrir une autonomie maximale permet aux ingénieurs d’imposer enfin des carrosseries aérodynamiques.En effet, les plus faibles besoins en refroidissement en diminuent les traînées parasites.
D’autre part, la compacité des moteurs électriques avec, ou sans boîte à vitesses actuellement, autorise une grande liberté de design avec un plancher bien mieux profilé.
Ainsi, une Tesla Model S affiche un SCx de 0,56 seulement à pondérer négativement par une masse bien supérieure à la moyenne (2,2 T à vide). Cette dernière s’explique par un positionnement premium assumé avec un plancher intégrant plus de 700 kg de batteries li-ion dans un gabarit US imposant donc sur des pneus fatalement plus larges etc...
Encore une fois, l’Allemagne, dreamland historique des ingénieurs, montre actuellement la moins mauvaise voie avec sa BMW I3. Compacte, relativement légère (1200 kg), aérodynamique moyenne de citadine (SCx=0,69), elle est campée sur de grandes roues dotée de pneus étroits à faible coefficient de frottement (155/70R19 ou 175 si Rex). En bonus, les services marketing ont autorisé l’option du prolongateur d’autonomie thermique (Range extender ou Rex) qui autorise environ 170 km supplémentaires avec 9 l d’essence et seulement 20 kg de plus.Ceci permet une autonomie de 410 km sans augmenter fortement la masse et le coût de sa batterie lithium ion.En effet, il ne s’agit pas de moteurs spécifiques existants mais plus simplement du twin 650 des scooters de la marque converti en groupe électrogène Euro 6 !
Ce modèle, à vocation urbaine, se rattrape au niveau de la masse par la conception bi-modulaire de son châssis : la légère cellule ‘Life’ en plastique renforcé de fibres de carbone (PRFC) repose sur une plate-forme ou module ’Drive’ en alliage d’aluminium. Celle-ci intègre les liaisons au sol, la batterie et le groupe moto propulseur (GMP).
Traînée de roulement
Comme leurs homologues thermiques depuis 1995, leur masse moyenne est bien trop élevée. ion. Songez que la très attendue Opel E-Ampera 60 Wh embarque 430 kg de batteries, une Renault Zoé 300 kg, une Nissan Leaf 250 kg au minimum et enfin une Tesla P85, 90 ou 100, plus de 700 kg !
Ici, essentiellement à cause du poids des batteries et de leur packaging malgré les technologies lithium ion. Songez que la très attendue Opel E-Ampera 60 Wh embarque 430 kg de batteries, une Renault Zoé 300 kg, une Nissan Leaf 250 kg au minimum et enfin une Tesla P85, 90 ou 100, plus de 700 kg ! Pourtant, le constructeur californien a choisi la meilleures technologie avec des Panasonic cylindriques G/NCA capable de plus de 230 Wh/kg, loin devant la concurrence autour des 150.
Par conséquent, vu les masses totales plombées par les dites batteries, pour obtenir des performances en accélération, le couple et donc la consommation du groupe moto propulseur doivent être conséquents. Pour les mêmes raisons, le système de freinage doit être surdimensionné même avec le freinage (partiellement) et enfin récupératif. In fine, ce cercle vicieux alourdira encore le véhicule électrique ou thermique...
À ce niveau, faute d’allègement conséquent ou juste économiquement autorisé, les ingénieurs adoptent des roues de grand diamètre, de faible largeur dotée de pneumatiques spéciaux à très faible perte de roulement malgré leur charge.
Motorisation électrique : eurêka !
Rappelons ici qu’un moteur turbo diesel pointe à plus de 41 % de rendement (Injection directe) contre environ 35 % en essence. Et encore, il ne s’agit que de valeurs maximales sur une plage de régime et de charge restreintes. Par conséquent, les valeurs moyennes imposées par les conditions de circulation actuelles en faible accélération et (trop) bas régimes sont bien pires, autour des 20 %, surtout avec les moteurs à essence (9%) en ville malgré les downsizing avec suralimentation (15 %?).
Les moteurs électriques, à courant alternatif le plus souvent, affichent un rendement moyen très supérieur. Ils varient légèrement selon les technologies employées mais globalement on peut tabler sur plus de 80 % soit 4 à 8 fois plus ! En pratique et toujours en moyenne, une auto thermique nécessitera 60 kWh pour 100 km mais un VE se contentera de 20 kWh sur le même parcours : une sacrée augmentation de l’efficience ou du rendement global du véhicule !
Alors pourquoi donc n’a-t-on pas gardé ce moteur idéal qui parcourait majoritairement les rues au tout début du XXe siècle ?
Stockage électrique ?
Actuellement et pour encore quelques années, cela restera le talon d’Achille des VE.Même en prenant le meilleur exemple commercialisé à ce jour, Tesla Model S P100D, ses plus de 700 kg de batteries totalisant 100 kWh sont l’équivalent énergétique de moins de 8,5 l d’essence seulement ! Vous avez bien lu.
Par conséquent, la technologie Li-ion (150 à 250 Wh/kg) est un progrès encore trop relatif aux autres types de batteries (Pb-acide sulfurique à 30 Wh/kg). Actuellement, ces batteries high-tech restent encore 50 à 80 fois moins dense que les carburants classiques (12 000 Wh/kg)...
Heureusement, grâce à l’excellent rendement du moteur électrique et de sa chaîne cinématique directe (réducteurs(s)), on obtient au final, presque 3 fois plus de kilomètres possibles. En pratique, les ingénieurs Californiens ont réussi l’exploit de faire rouler une Model S P100D sur plus de 450 km en utilisation moyenne soit l’équivalent énergétique de moins de 23 l d’essence. Ceci grâce aux astuces de conception évoquées plus haut, le freinage récupératif (environ 1 km pour 7 de décélération) et les relativement faibles pertes globales.
Bien sûr, à plus haute vitesse, 130 km/h sur nos autoroutes, l’autonomie sera logiquement très inférieure. N’oubliez pas que la puissance est proportionnelle à la vitesse élevée au cube, soit VxVxV ! Donc si un VE sort de son usage urbain idéal voire péri-urbain pour singer les GT thermiques, la puissance à fournir va épuiser (très) rapidement le peu d’énergie contenue dans les batteries. Ainsi pour passer d’une vitesse constante de 50 à 90 km/h , la puissance nécessaire sera multipliée presque par 6 et par plus de 17 à 130 km/h !
Dès lors, comment s’étonner que même la citadine Renault Zoé Z40 doté de sa batterie optimisée à 41 kWh (407 km NEDC) sera à court d’électrons avant 150 km ? Même une Tesla modèle S P100 à l’aérodynamique de routière soignée ne dépassera pas 300 km dans les mêmes conditions…D’où le réseau de (super)chargeurs de plus en plus dense !
Encore une fois, vu la faible quantité d’énergie embarquée dans les batteries Li-ion actuelles comparée à nos réservoirs actuels, les conducteurs incrédules et autres journalistes avides de sensationnel, découvrent une évidence technique : la vitesse coûte (très) cher en puissance et donc en (sur)consommation d’énergie, quelque soit sa forme…Idem pour les accélérations selon le principe fondamental de la dynamique (PFD), autre loi triviale et incontournable.
À ce niveau, ne critiquez plus les cycles d’homologation qui ne seront jamais assez réalistes mais qui permettent de comparer les véhicules entre eux de façon fiable.Certes, le NEDC mis en place en juillet 1973 entre 20 et 30 c° (sic!) affiche 33 km/h de moyenne avec des accélérations d’escargot ! Tous les professionnels et nos lecteurs avertis savent bien qu’un cycle d’homologation ne sera jamais représentatif de votre réalité de conduite, quelque soit le véhicule et en particulier les électriques. Rassurez-vous, les cycles actuels américain EPA de mesure de consommation et le tout prochain WLTP seront un peu plus proches de votre réalité mais toujours à utiliser uniquement pour guider vos choix initiaux selon un protocole de mesures commun.
Restons sur des comparaisons faciles donc avec les carburants liquides actuels, essence ou diesel voire GPL. Toutes les batteries ont un inconvénient supplémentaire bien particulier : leur plus grande sensibilité à la température.
Bien connu sur nos traditionnelles batteries de démarrage, le froid réduit naturellement les performances électriques et donc l’autonomie des VE.À cela, s’ajoutent d’autres consommateurs électriques majeurs tels le chauffage, les essuie-glaces, la direction à assistance électrique ou l’éclairage qui vont amputer toujours plus l’autonomie finale.
Selon les technologies employées, le pack batterie devra être plus ou moins précisément climatisé selon la température extérieure pour éviter une diminution de la durée de vie des cellules voire un emballement thermique...Fatalement, cette régulation se fera en ponctionnant une (autre) partie de sa capacité électrique. Encore une fois, ce sera au détriment de l’autonomie réelle.
Coté fiabilité et nombre de cyclages, là aussi, les décharges profondes ou les charges rapides sont déconseillées et on ne sera jamais à l’abri d’une panne brutale de l’électronique de gestion de type BMS ou de puissance…
Dernier détail, l’aspect économique des VE !
Sachant qu’en moyenne, 1 seul litre d’essence assure 9 kWh d’énergie (PCI) pour 1,5 € actuellement, 1kWh thermique sera donc à 16 centimes. A comparer à vos 12 à 17 centimes le kWh électrique actuel selon le fournisseur, l’abonnement souscrit et les heures creuses éventuelles. On a donc déjà une équivalence du tarif des énergies et cela va empirer à court terme. N’oublions pas notre compteur mouchard ‘Linky’ qui sera installé juste au bon moment pour décliner une TICPE sur l’électricité de propulsion. Fini le rêve des 100 km pour 3 à 5 € et ce, uniquement grâce au rendement de propulsion 3 fois supérieur des VE !
Du thermique à l’électrique ?
Si l’avenir leur appartient, ce n’est pas encore le cas du présent et le légendaire bon sens populaire ne s’y trompe pas...
A partir de 2020, de nouveaux modèles seront commercialisés avec 400 km d’autonomie réelle en moyenne pour chapeauter des petits modèles low cost urbains, dotés de ‘moteur-roues’ par exemple. Sauf découverte majeure, il faudra attendre encore, 2030 sans doute, pour disposer d’un VE ayant l’autonomie, la recharge (vraiment) rapide et le tarif équivalent aux VT actuels à essence. Il sera encore plus difficile de rivaliser avec les diesels qui assurent plus de 1000 km d’autonomie depuis la fin des années 80 ! Or les clients ont souvent horreur d’une nouveauté onéreuse avec certaines prestations en baisse sensible...sauf en seconde voiture pour des trajets courts !
Pour diverses raisons stratégiques et surtout macro-économiques, tous les grands constructeurs automobiles ont pris du retard sur le développement et l’industrialisation des véhicules électriques. Rentabilité à court terme et dividendes obligent, ils font parfois même l’impasse sur les hybrides bien plus complexes.
Heureusement, il faut saluer ici le brillant Elon Musk, fondateur de SpaceX et Tesla, d’avoir osé puis réussi son pari de pionnier grâce aux électrochocs de son modèle sportif puis premium…
Avec la technologie des batteries actuellement commercialisées, le domaine d’utilisation idéal des VE reste la ville voire le péri-urbain ou la puissance moyenne demandée est faible et le freinage récupératif important, nous épargnant beaucoup de particules des plaquettes. Justement le secteur géographique ou les nuisances des transports, en baisse constante, restent concentrées donc maximales.
Notez que les progrès (en labos) sont désormais rapides et qu’à l’horizon 2023, on disposera enfin de batteries flirtant avec les 800 Wh/kg ! Bientôt dopées au graphène comme les super-condensateurs puis grâce à une autre technologie de rupture déjà en vue ?
A ce propos, parmi les 2 millions de VE dans le monde, 400 000 des plus récents sont V2G(rid) voire V2H(ome) et une fois connectés au réseau, lissent les pics de sur ou sous-productions typiques des ENR.
Pour en savoir plus, je ne saurais trop vous conseiller de lire : http://acti-ve.org/rouler-stocker-distribuer-les-enr/mobilite-electrique/2017/01/
Avec près de 8 milliards d’habitants aujourd’hui, les voitures aussi futiles que polluantes sont plus que jamais inadaptées. Par polluantes, il faut entendre plus globalement le gaspillage de matières premières, des ressources humaines et énergétiques, les nuisances et les pollutions en utilisation et le recyclage partiel.
Malheureusement, la tendance actuelle pour flatter son égo est aux gros SUV ou autres CrossOver, des catastrophes aérodynamiques ! A ce sujet, les vitesses baissent comme les le QI moyen d’un monde futile, ‘markété’ pour le profit immédiat donc avec une obsolescence rapide...et un pétrole (fossile) qui sera remplacé par des "biofuels" ?
Malheureusement, malgré les incertitudes économiques de la mondialisation débridée, libre et (non) faussée (pieuse maxime européenne !), l’utilisateur rationnel laisse trop souvent la place aux (jeunes) consommateurs impulsifs bénéficiant de crédits et d’un prix du pétrole anormalement bas. C’est donc le moment opportun de rappeler que dans le mot utilisateur il y a la racine ‘utile’ alors que dans con-sommateur...
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