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Qu'est-ce qui fait avancer l'EV ?
L'industrie automobile est en train de vivre un changement majeur, la plupart des constructeurs automobiles affirmant que les dix prochaines années seront plus transformatrices que les deux décennies précédentes. Tout, des matériaux à l'essence en passant par les prix et les modèles d'entreprise, entraînera des changements plus importants au cours des prochaines années, ce qui favorisera l'adoption à grande échelle des véhicules électriques (VE). L'adoption d'un mode de transport plus propre et plus efficace dépend autant des politiques gouvernementales et de la reconnaissance de la nécessité de rechercher une plus grande efficacité que des percées technologiques de pointe dans le domaine de l'automobile.
Subventions et politiques gouvernementales
L'adoption précoce des véhicules électriques légers a été soutenue par d'importants avantages fiscaux, qui ont stimulé la croissance des industries de fabrication de VE et de batteries. Les programmes, qui comprenaient des subventions à l'achat et/ou des réductions de la taxe sur l'achat et l'immatriculation des véhicules, étaient conçus pour combler l'écart de prix entre les véhicules électriques et les véhicules conventionnels.
Les subventions pour les VE sont généralement considérées comme une mesure ponctuelle. Néanmoins, de nombreux pays accordent actuellement des subventions aux consommateurs de VE, qui représentent près de la moitié de l'ensemble des achats de VE. Les subventions peuvent être progressivement supprimées à mesure que la technologie des VE fait baisser les prix de manière substantielle. Cette suppression progressive pourrait être complétée par des taxes sur les voitures traditionnelles afin de compenser les externalités négatives liées à leurs émissions.
Préoccupations environnementales
Le transport étant la principale cause du changement climatique et une source majeure d'autres polluants nuisibles à la santé humaine, l'électrification de nos voitures est considérée comme une mesure essentielle.
L'adoption des VE est devenue de plus en plus importante pour atteindre les objectifs en matière d'économie de carburant et d'émissions de CO2. Les plus importants fixés par l'Union européenne ont eu un impact significatif sur les ventes de voitures électriques. représentant 18,0% du total des immatriculations de voitures en 2021, contre 10,5% en 2020Le taux de croissance annuel est le plus élevé jamais enregistré. Pour remédier aux effets néfastes de la pollution causée par les véhicules à moteur à combustion interne (MCI), certains gouvernements ont fixé des objectifs de vente à atteindre pour les véhicules électriques. La politique californienne en matière de véhicules à émission zéro (ZEV) a été initialement mise en œuvre en 1990, ce qui a accéléré la transition vers les VE, qui représenteront 10% des ventes de voitures neuves dans ce pays en 2021.
Le moteur à combustion a connu un succès fulgurant au cours du siècle dernier, mais nous sommes déjà à l'aube de quelque chose de bien meilleur, de bien plus simple, qui continuera à nous fournir la mobilité à laquelle nous nous sommes habitués, mais d'une manière plus propre, plus légère et plus sensée : les véhicules électriques.
Principaux composants du véhicule électrique d'aujourd'hui
Le VE moderne est plus qu'un concept et les principaux composants peuvent être facilement identifiés comme suit :
Batterie
La batterie sert de source d'énergie et constitue l'élément le plus coûteux du véhicule électrique. L'électricité stockée dans la batterie est utilisée pour alimenter le moteur électrique, qui fait tourner les roues, sans bruit et sans émissions. En raison du coût élevé de leur remplacement, les batteries des voitures électriques doivent durer le plus longtemps possible, contrairement aux appareils portables, qui tombent en panne au bout de quelques années.
La capacité de la batterie détermine la distance que votre voiture peut parcourir. Plus la capacité est grande, plus la distance parcourue est importante. Augmenter l'autonomie du véhicule en ajoutant des batteries supplémentaires n'est pas la meilleure solution. Cela augmente le poids et limite inutilement l'espace disponible. En conséquence, l'économie de carburant et l'efficacité énergétique en pâtissent. L'utilisation de batteries plus petites et plus efficaces sur le plan énergétique est la meilleure méthode pour augmenter la distance parcourue.
Chargeur de batterie/Chargeur embarqué
Les VE obtiennent la charge de leur batterie à partir du réseau par l'intermédiaire de stations de recharge situées à domicile, dans des lieux publics ou sur des terrains commerciaux privés. Le chargeur embarqué convertit le courant monophasé du réseau en courant continu pour le stocker dans la batterie et contrôle la quantité de courant envoyée à la batterie, évitant ainsi la surchauffe de la batterie et du système d'alimentation/chargeur.
Onduleur de puissance
L'onduleur est le dispositif qui convertit le courant continu haute tension et haute intensité des batteries d'un véhicule électrique en courant alternatif pour le moteur. La sortie est une "onde carrée" dans sa forme la plus basique et convient mieux aux moteurs à courant alternatif qui contiennent des champs magnétiques qui ont besoin de temps pour augmenter et diminuer leur force.
Les fabricants d'onduleurs pour véhicules s'efforcent toujours d'améliorer la conception et l'efficacité de leurs produits. Récemment, la pratique consistant à intégrer un onduleur à un moteur ou à un convertisseur a fait l'objet d'une grande attention de la part des fabricants. Par exemple, un moteur avec un onduleur intégré ou un module de puissance unique qui combine les fonctionnalités d'un onduleur et d'un convertisseur DC-DC offre un meilleur rendement tout en réduisant l'encombrement et le poids du véhicule.
Moteur électrique
Les moteurs des VE fonctionnent en attachant une paire d'aimants ou d'électro-aimants à un arbre (le rotor) et une autre paire au boîtier qui l'entoure (le stator). L'électricité alternative est nécessaire pour que les moteurs tournent, sinon la force électromagnétique bloquerait simplement les pôles nord et sud ensemble. Le moteur du véhicule électrique tire parti de ces forces d'attraction et de répulsion pour faire tourner l'arbre, convertissant l'électricité en couple et faisant finalement tourner les roues en inversant périodiquement la polarité d'un jeu d'électro-aimants. Ces forces magnétiques/électromagnétiques sont également capables de reconvertir le mouvement en électricité, comme dans le cas du freinage par récupération.
Système de gestion de la batterie (BMS)
Le terme "système de gestion de la batterie" fait référence à un système électrique qui régule une batterie rechargeable afin d'assurer son fonctionnement efficace et sûr (BMS). Il s'agit essentiellement du cerveau du véhicule, conçu pour suivre les caractéristiques associées au bloc-batterie et à ses cellules. Il utilise ensuite ces informations pour réduire les problèmes de sécurité et améliorer les performances de la batterie. Chaque modèle de véhicule dispose d'un BMS unique.
Développement futur des VE
La croissance des VE et des véhicules électriques hybrides (VEH) s'accélère et, d'ici 2025, les VE et les VEH représenteront, selon les estimations, environ 30% de toutes les ventes de véhicules. Cela nécessite très certainement la mise en place d'une infrastructure de recharge à l'échelle nationale et la poursuite de la recherche et du développement dans le but explicite d'éliminer les émissions de gaz d'échappement des véhicules légers aux États-Unis d'ici 2035 et, dans l'idéal, d'atteindre la neutralité carbone pour les produits et les opérations à l'échelle mondiale d'ici 2040.
Selon le un rapport de McKinsey datant de 2021 La demande annuelle d'électricité pour recharger les VE passerait de 11 milliards de kilowattheures (kWh) à 230 milliards de kWh en 2030, en raison de l'augmentation du nombre de VE sur les routes. La projection de la demande pour 2030 équivaut à environ 5% de la consommation totale d'électricité actuelle des seuls États-Unis. Environ 30 millions de chargeurs seraient nécessaires pour fournir cette quantité d'énergie en une seule année. La majorité de ces chargeurs seraient installés dans les maisons, mais 1,2 million seraient des chargeurs publics, déployés dans les lieux de passage et les zones où les véhicules sont stationnés pendant de longues périodes. Le coût du matériel, de la conception et de l'installation de cette infrastructure de recharge publique est estimé à plusieurs millions de dollars. Comme la plupart des autres technologies que nous utilisons tous au quotidien, elles dépendent fortement d'un réseau pour faciliter leur utilisation.
Technologies de pointe pour les batteries
À partir de 2012, le prix des batteries a commencé à baisser de 50% en quatre ans, ce qui a rendu les VE plus attrayants. Ce n'est pas seulement le prix, mais aussi les avancées technologiques qui ont récemment commencé à rendre les VE encore plus attrayants.
Une batterie lithium-ion a un électrolyte liquide, mais une batterie à l'état solide, comme son nom l'indique, a un électrolyte solide. Les avantages des batteries à électrolyte solide sont qu'elles sont plus légères, qu'elles ont une densité énergétique plus élevée, qu'elles ont une plus grande autonomie et qu'elles se rechargent donc plus rapidement.
GM et Honda ont déclaré qu'ils partageaient leur technologie, leur conception et leurs stratégies de fabrication afin de proposer des véhicules électriques abordables et attrayants à l'échelle mondiale. GM s'efforce déjà de faire progresser les nouvelles technologies telles que le lithium-métal, le silicium et les mêmes batteries à l'état solide, ainsi que les méthodes de fabrication qui peuvent être utilisées pour améliorer et mettre à jour rapidement les processus de fabrication des cellules de batterie, tandis que Honda poursuit le développement de la technologie des batteries à l'état solide, qu'elle considère comme un élément essentiel des véhicules électriques de demain.
Amélioration de l'efficacité des moteurs de traction électrique
Les fabricants de gros volumes ont hésité à utiliser des moteurs à aimant permanent en raison de leur dépendance à l'égard des terres rares lourdes, dont la Chine détient entre 35 et 40% des réserves mondiales.
Les progrès réalisés dans le développement des batteries à l'état solide, déjà évoqués, sont certainement une tendance qui garantira que l'efficacité des VE qui sortiront dans les prochaines années sera bien meilleure que ce qui est disponible aujourd'hui, mais des améliorations sont en cours tout au long de la chaîne cinématique.
Modules d'alimentation intégrés
Les modules semi-conducteurs de puissance utilisés dans les onduleurs sont responsables du transfert d'énergie électrique entre la source et la charge. L'efficacité de ces systèmes s'est améliorée grâce aux progrès réalisés dans les dispositifs à base de WBG tels que le SiC, les MOSFET et les HEMT. Ce meilleur rendement, qui est environ trois fois supérieur à celui du silicium, est dû à une bande interdite plus large, c'est-à-dire à l'énergie nécessaire pour rendre un électron accessible afin de conduire l'électricité. Par exemple, un dispositif en SiC peut résister à un champ électrique près de 10 fois supérieur à celui du silicium avant de tomber en panne, ce qui permet aux dispositifs en SiC de fonctionner à des tensions nettement plus élevées que les structures comparables en silicium.
Condensateurs de liaison DC
Le terme "liaison CC" est utilisé pour décrire le point où deux étages de conversion d'énergie se rencontrent et où un dispositif de stockage d'énergie (c'est-à-dire le condensateur) sert de tampon pour chacun d'entre eux, en lissant les impulsions et en réduisant la quantité d'ondulation de crête à crête. Il existe plusieurs types de condensateurs pouvant être utilisés dans les applications de traction des VE et ils peuvent être divisés en deux groupes principaux : les condensateurs électrostatiques et les condensateurs électrolytiques.
Bien que les condensateurs électrolytiques soient le choix le plus populaire pour les applications de commande de moteur conventionnelles, leur courte durée de vie, leur capacité de conduction de courant limitée et leur fonctionnement à basse fréquence ne les rendent pas appropriés pour une utilisation en tant que condensateurs de liaison CC dans les onduleurs des véhicules électriques.
En revanche, les condensateurs électrostatiques ont une structure non polaire dans laquelle des films plastiques et de la céramique sont utilisés comme diélectriques. Les condensateurs dotés d'un diélectrique en film plastique (en particulier le polypropylène) ont une résistance série équivalente (ESR) très faible, car le courant n'a pas à passer par un électrolyte. Les condensateurs électrostatiques peuvent être produits à des tensions très élevées et peuvent être utilisés à la fois dans des circuits à courant alternatif et à courant continu.
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