Qu’est-ce que le rendement d’un moteur électrique ?
La notion de rendement, pour un moteur, désigne le rapport entre l’énergie utile et l’énergie totale consommée. Il peut s’exprimer par un pourcentage. Sur un véhicule électrique, on estime le rendement à 90 %. Cela signifie que 10 % de l’électricité consommée par le moteur électrique n’a pas été consacrée à sa propulsion, ce qui est très peu. Outre cette excellente performance, notons qu’un véhicule électrique ou hybride Renault bénéficie, de surcroît, du freinage récupératif qui recharge la batterie dans certaines phases de conduite, pour un rendement encore plus proche de 100 %.
À partir du chiffre du rendement, on affine notamment la mesure de l’autonomie d’un véhicule électrique et sa consommation d’électricité. Plus le rendement est élevé, et moins on doit « injecter » des kilowatts d’énergie à chaque recharge pour parcourir le nombre de kilomètres désirés.
Comment calculer le rendement d’un moteur électrique ?
Mathématiquement, le calcul du rendement d’un moteur électrique est une division de la quantité d’énergie utile par la quantité d’énergie consommée au départ.
En pratique, les constructeurs automobiles et les cabinets spécialisés dans les performances mécaniques estiment le rendement des véhicules (électriques ou hybrides) en prenant plusieurs paramètres en compte, de manière à obtenir un chiffre au plus près de la réalité. Le processus de mesure nécessite d’abord un test des conditions de charge et de l’efficacité des batteries pour savoir combien d’énergie est injectée. La voiture électrique, évaluée sur sa vitesse moyenne et sa récupération d’énergie, roule ensuite dans des situations du quotidien, des trajets cohérents, pour connaître le nombre de kilomètres parcourus avec une seule recharge.
Le rapport obtenu entre les deux valeurs observées explique que, dans le domaine automobile, les spécialistes considèrent que le rendement d’un moteur électrique est 3 à 4 fois supérieur à celui d’un moteur thermique essence ou diesel à puissance égale.
Quelle est la différence entre un moteur synchrone et asynchrone ?
Pour faire avancer un véhicule électrique ou hybride (en mode électrique pour ce dernier) et fournir de la puissance électrique au moteur, celui-ci transforme le courant délivré par la batterie en un champ électromagnétique qui fait tourner un rotor entraînant la traction.
Le fonctionnement d’un moteur électrique diffère selon le type de technologie utilisée pour produire ce champ électromagnétique : on parle ainsi de « synchrone » et « d’asynchrone » afin de désigner les deux catégories de moteurs les plus prisées par l’industrie.
Le moteur électrique synchrone fonctionne avec une pièce statique, le stator, et une partie rotative, le rotor. L’électricité de la batterie traverse le stator où elle est transformée en champ électromagnétique. Le rotor – qui intègre une bobine de cuivre ou un aimant permanent – va suivre ce champ magnétique, et se mettre à tourner sur lui-même, à une vitesse proportionnelle à la fréquence du courant électrique. Cette technologie est la plus utilisée actuellement dans le domaine automobile.
Dans le moteur asynchrone, le rotor et le stator ne fonctionnent pas de manière proportionnelle. Le stator va « attirer » le rotor dans sa rotation avec un léger décalage : la vitesse du champ magnétique tournant sera toujours supérieure à celle du rotor.
Moteurs électriques synchrones : différentes technologies
Employés en particulier dans le domaine de l’industrie automobile, les moteurs électriques synchrones peuvent être constitués de deux technologies différentes : les rotors à aimants ou bobinés.
La première catégorie intègre, au niveau du rotor, des aimants dits « permanents ». Des bobines présentes dans le stator vont activer sa sensibilité à la force magnétique, et engendrer sa rotation, et donc la traction du véhicule. Cette technique a notamment pour avantage une certaine densité de puissance et un excellent rendement à basse vitesse. D’où sa présence sur des véhicules citadins légers comme Dacia Spring ou comme moteur électrique dans les motorisations hybrides E-Tech et E-Tech Plug-in de Renault.
Dans un véhicule à rotors bobinés, une bobine de cuivre remplace l’aimant permanent. Cette technique induit là encore un très bon rendement, et ce jusqu’à des vitesses élevées, supérieures à 100 kilomètres/heure, ce qui garantit un gain d’autonomie de quelques dizaines de kilomètres. On trouve ce procédé dans le moteur de Renault ZOE ou de Twingo Electric.
Le rendement d’un moteur électrique asynchrone
Les propriétés physiques du moteur électrique asynchrone expliquent pourquoi son rendement est légèrement inférieur à celui de son homologue synchrone : le « glissement », ce phénomène de décalage entre rotor et stator est responsable du différentiel entre les deux technologies. Les « asynchrones » affichent ainsi un rendement de l’ordre de 75 à 80 % contre 90 % pour les « synchrones ».
L’amélioration du rendement des moteurs
Les constructeurs et les industriels exploitent de nombreuses pistes pour améliorer le rendement de leurs moteurs pour voitures électriques. Dimensionnement des pièces, utilisation de matériaux d’excellente qualité et autre augmentation des flux d’air permettent de diminuer les pertes. Celles-ci sont dues aux frottements des pièces et à la transformation d’une partie de l’énergie en chaleur.
Au volant, l’éco-conduite, tirant parti de la récupération d’énergie, réduit les kilowatts consommés, mais non utiles, et rapproche le moteur de son rendement maximal.
Le rendement maximal
Le rendement maximal exprimé pour un moteur électrique ou hybride correspond à la situation d’utilisation idéale de l’énergie de ses batteries pour aboutir au meilleur régime moteur. Le rendement réel d’un moteur est toujours inférieur à cette valeur et dépend des conditions (atmosphériques, de circulation, de conduite) dans lesquelles évolue le véhicule.
Le rendement d’un moteur hybride
Dans un moteur hybride, la présence d’une partie électrifiée tend à augmenter le rendement maximal de la voiture, qu’elle soit hybride rechargeable ou non. Cela est en partie dû à la possibilité de recharger les batteries lors des décélérations, et donc de récupérer une énergie immédiatement « utile ».
Le rendement d’un moteur à hydrogène
Dans une voiture à hydrogène, c’est un moteur électrique synchrone qui permet la propulsion, avec un rendement comparable à celui d’un véhicule électrique sur batterie traditionnelle. La production d’hydrogène par la pile à combustible diminue en général légèrement le rendement du véhicule, une partie de l’énergie se retrouvant transformée en vapeur d’eau.
Connaître le rendement d’un moteur électrique permet de comprendre la dépense énergétique et les données d’autonomie du véhicule.
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