Le moment et le lieu sont propices, et toutes les entreprises chinoises de véhicules électriques sont occupées. La Chine semble être devenue le centre de l’industrie mondiale des véhicules électriques.
En fait, en Allemagne, si votre appareil ne fournit pas de piles de chargement, vous devrez peut-être en acheter une vous-même. sur le pas de la porte. Cependant, nous discutons toujours de la raison pour laquelle tant d'excellents constructeurs automobiles allemands ne peuvent pas fabriquer des Tesla, et il n'est pas difficile d'en trouver les raisons maintenant.
En 2014, le professeur Lienkamp de l'Université technique de Munich a publié un nouveau livre « Statut de la mobilité électrique 2014 », gratuit et ouvert à la société, et a déclaré : « Bien que les véhicules électriques présentent divers défauts, je n'ai jamais vu une voiture qui possède déjà une mobilité électrique. Le conducteur de la voiture, rentre dans l’étreinte de la voiture traditionnelle. Même la voiture électrique la plus courante vous apporte le plaisir de conduire, inégalé par une voiture à essence. Une telle voiture peut vraiment empêcher le propriétaire de la voiture de se renouveler. Rejeter dans les bras des voitures traditionnelles ?
Comme nous le savons tous, le cœur d’un véhicule électrique est la batterie.
Pour un véhicule électrique ordinaire, selon le test standard européen, la consommation d'énergie aux 100 kilomètres est d'environ 17 kWh, soit 17 kWh. Le Dr Thomas Pesce a étudié la consommation énergétique des véhicules compacts dans la configuration optimale. Sans tenir compte du coût, la consommation d'énergie optimale aux 100 kilomètres obtenue en utilisant la technologie disponible existante est légèrement supérieure à 15 kWh. Cela signifie qu'à court terme, en essayant de réduire la consommation d'énergie en optimisant l'efficacité de la voiture elle-même, même sans tenir compte du coût supplémentaire, l'effet d'économie d'énergie est relativement faible.
Prenons l'exemple de la batterie de 85 kWh de Tesla. La distance nominale de conduite est de 500 km. Si la consommation d'énergie est réduite à 15 kWh/100 km grâce à divers efforts, la distance de conduite peut être augmentée à 560 km. Par conséquent, on peut dire que la durée de vie de la batterie de la voiture est proportionnelle à la capacité de la batterie et que le coefficient proportionnel est relativement fixe. De ce point de vue, l'utilisation de batteries avec une densité énergétique plus élevée (il faut tenir compte à la fois de l'énergie Wh/kg par unité de poids et de l'énergie Wh/L par unité de volume) est d'une grande importance pour améliorer les performances des véhicules électriques, car dans véhicules électriques, la batterie occupe une grande partie du poids total.
Tous les types de batteries lithium-ion sont les batteries les plus attendues et les plus utilisées. Les batteries au lithium utilisées dans les automobiles comprennent principalement la batterie ternaire nickel-cobalt-lithium-manganate (NCM), la batterie nickel-cobalt-lithium-aluminate (NCA) et la batterie lithium-fer-phosphate (LPF).
1. Batterie ternaire nickel-cobalt lithium manganate NCMest utilisé par de nombreux véhicules électriques à l'étranger en raison de son faible taux de production de chaleur, de sa stabilité relativement bonne, de sa longue durée de vie et de sa densité énergétique de 150 à 220 Wh/kg.
2. Batterie au lithium aluminate de nickel-cobalt NCA
Tesla utilise cette batterie. La densité énergétique est élevée, entre 200 et 260 Wh/kg, et devrait bientôt atteindre 300 Wh/kg. Le principal problème est que seul Panasonic peut produire cette batterie à l'heure actuelle, le prix est élevé et la sécurité est la pire parmi les trois batteries au lithium, ce qui nécessite une dissipation thermique et un système de gestion de batterie hautes performances.
3. Batterie LPF au lithium fer phosphate Enfin, regardons la batterie LPF la plus utilisée dans les véhicules électriques domestiques. Le plus gros inconvénient de ce type de batterie est que la densité énergétique est très faible, qui ne peut atteindre que 100-120Wh/kg. De plus, le LPF présente également un taux d’autodécharge élevé. Rien de tout cela n’est souhaité par les constructeurs de véhicules électriques. L'adoption généralisée du LPF en Chine ressemble davantage à un compromis fait par les fabricants nationaux concernant des systèmes coûteux de gestion et de refroidissement des batteries : les batteries LPF ont une stabilité et une sécurité très élevées et peuvent garantir un fonctionnement stable même avec des systèmes de gestion de batterie médiocres et une durée de vie plus longue. Un autre avantage apporté par cette fonctionnalité est que certaines batteries LPF ont une densité de puissance de décharge extrêmement élevée, ce qui peut améliorer les performances dynamiques du véhicule. De plus, le prix des batteries LPF est relativement bas, elles conviennent donc à la stratégie actuelle bas de gamme et bas prix des véhicules électriques domestiques. Mais il reste encore un point d’interrogation quant à savoir si elle sera vigoureusement développée en tant que technologie de batterie du futur.
Quelle doit être la taille de la batterie d’une voiture électrique moyenne ? S'agit-il d'un pack de batteries avec des milliers de batteries Tesla en série et en parallèle, ou d'un pack de batteries construit avec quelques grosses batteries de BYD ? Il s’agit d’une question sous-étudiée et il n’y a actuellement aucune réponse définitive. Seules les caractéristiques du pack batterie composé de grandes cellules et de petites cellules sont présentées ici.
Lorsque la batterie est petite, la zone totale de dissipation thermique de la batterie sera relativement grande et la température de l'ensemble de la batterie peut être efficacement contrôlée grâce à une conception de dissipation thermique raisonnable pour empêcher la température élevée de s'accélérer et de nuire à la durée de vie de la batterie. Généralement, la puissance et la densité énergétique des batteries ayant une capacité unique plus petite seront plus élevées. Enfin, et plus important encore, de manière générale, moins une seule batterie a d'énergie, plus la sécurité de l'ensemble du véhicule est élevée. Une batterie composée d'un grand nombre de petites cellules, même si une seule cellule tombe en panne, cela ne posera pas trop de problèmes. Mais s’il y a un problème à l’intérieur d’une batterie de grande capacité, le risque pour la sécurité est bien plus grand. Par conséquent, les grandes cellules nécessitent davantage de dispositifs de protection, ce qui réduit encore davantage la densité énergétique du pack batterie composé de grandes cellules.
Cependant, avec la solution de Tesla, les inconvénients sont également évidents. Des milliers de batteries nécessitent un système de gestion de batterie extrêmement complexe, et le coût supplémentaire ne peut être sous-estimé. Le BMS (Battery Management System) utilisé sur la Volkswagen E-Golf, un sous-module capable de gérer 12 batteries, coûte 17 $. Selon l'estimation du nombre de batteries utilisées par Tesla, même si le coût du BMS auto-développé est faible, le coût de l'investissement de Tesla dans le BMS est supérieur à 5 000 dollars américains, soit plus de 5 % du coût du véhicule entier. De ce point de vue, on ne peut pas dire qu’une grosse batterie ne soit pas bonne. Dans le cas où le prix du BMS n'a pas été réduit de manière significative, la taille de la batterie doit être déterminée en fonction du positionnement de la voiture.
En tant qu'autre technologie de base dans les véhicules électriques, le moteur devient souvent au centre des discussions, en particulier le moteur de la taille d'une pastèque de Tesla avec des performances de voiture de sport, ce qui est encore plus étonnant (la puissance maximale du moteur de la Model S peut atteindre plus de 300 kW, la puissance maximale le couple est de 600 Nm et la puissance maximale est proche de la puissance d'un seul moteur d'une EMU à grande vitesse). Certains chercheurs de l’industrie automobile allemande ont commenté ce qui suit :
Tesla n'utilise presque rien hormis des composants conventionnels (corps en aluminium,moteur asynchrone pour la propulsion, technologie de châssis conventionnelle à airsuspension, ESP et système de freinage conventionnel avec pompe à vide électrique, cellules d'ordinateur portable, etc.)
Tesla utilise toutes les pièces conventionnelles, carrosserie en aluminium, moteurs asynchrones, structure de voiture conventionnelle, système de freinage et batterie d'ordinateur portable, etc.
La seule véritable innovation réside dans la technologie reliant la batteriecellules, qui utilisent des fils de liaison brevetés par Tesla, ainsi que des batteriessystème de gestion qui peut être flashé « over the air », ce qui signifie que lele véhicule n'a plus besoin de se rendre dans un atelier pour recevoir les mises à jour logicielles.
La seule invention géniale de Tesla réside dans la manipulation de la batterie. Ils utilisent un câble de batterie spécial et un BMS qui permet une mise en réseau sans fil directe sans qu'il soit nécessaire de retourner à l'usine pour mettre à jour le logiciel.
En fait, le moteur asynchrone à haute densité de puissance de Tesla n'est pas trop nouveau. Dans le premier modèle Roadster de Tesla, les produits de Tomita Electric de Taiwan sont utilisés et les paramètres ne sont pas trop différents de ceux annoncés par le modèle S. Dans les recherches actuelles, les chercheurs nationaux et étrangers ont conçu des modèles à faible coût et de grande puissance. des moteurs qui peuvent être rapidement mis en production. Donc, lorsque vous regardez ce domaine, évitez la mythique Tesla – les moteurs de Tesla sont assez bons, mais pas si bons que personne d'autre ne peut les construire.
Parmi les nombreux types de moteurs, ceux couramment utilisés dans les véhicules électriques sont principalement les moteurs asynchrones (également appelés moteurs à induction), les moteurs synchrones à excitation externe, les moteurs synchrones à aimants permanents et les moteurs synchrones hybrides. Ceux qui croient que les trois premiers moteurs ont des connaissances sur les véhicules électriques auront quelques concepts de base. Les moteurs asynchrones ont un faible coût et une grande fiabilité, les moteurs synchrones à aimants permanents ont une densité de puissance et un rendement élevés, une petite taille mais un prix élevé et un contrôle complexe de section à grande vitesse. .
Vous avez peut-être moins entendu parler des moteurs synchrones hybrides, mais récemment, de nombreux fournisseurs de moteurs européens ont commencé à proposer de tels moteurs. La densité de puissance et l'efficacité sont très élevées et la capacité de surcharge est forte, mais le contrôle n'est pas difficile, ce qui est très approprié pour les véhicules électriques.
Il n'y a rien de spécial dans ce moteur. Par rapport au moteur synchrone à aimant permanent, en plus des aimants permanents, le rotor ajoute également un enroulement d'excitation similaire au moteur synchrone traditionnel. Un tel moteur a non seulement la densité de puissance élevée apportée par l'aimant permanent, mais peut également ajuster le champ magnétique en fonction des besoins grâce à l'enroulement d'excitation, qui peut être facilement contrôlé à chaque section de vitesse. Un exemple typique est le moteur de la série HSM1 produit par BRUSA en Suisse. La courbe caractéristique du HSM1-10.18.22 est présentée dans la figure ci-dessous. La puissance maximale est de 220 kW et le couple maximal est de 460 Nm, mais son volume n'est que de 24 L (30 cm de diamètre et 34 cm de longueur) et pèse environ 76 kg. La densité de puissance et la densité de couple sont fondamentalement comparables à celles des produits Tesla. Bien sûr, le prix n’est pas bon marché. Ce moteur est équipé d'un convertisseur de fréquence et son prix avoisine les 11 000 euros.
Pour la demande de véhicules électriques, l’accumulation de technologies automobiles est suffisamment mature. Ce qui manque actuellement, c’est un moteur spécialement conçu pour les véhicules électriques, et non la technologie nécessaire pour fabriquer un tel moteur. On pense qu'avec la maturité et le développement progressifs du marché, les moteurs à haute densité de puissance deviendront de plus en plus populaires et leur prix deviendra de plus en plus proche des gens.
Pour la demande de véhicules électriques, il manque actuellement seulement des moteurs spécialement conçus pour les véhicules électriques. On pense qu'avec la maturité et le développement progressifs du marché, les moteurs à haute densité de puissance deviendront de plus en plus populaires et leur prix deviendra de plus en plus proche des gens.
La recherche sur les véhicules électriques doit revenir à l’essentiel. L'essence des véhicules électriques est un transport sûr et abordable, pas un laboratoire de technologie mobile, et il n'est pas nécessairement nécessaire d'utiliser la technologie la plus avancée et la plus à la mode. En dernière analyse, il doit être planifié et conçu en fonction des besoins de la région.
L’émergence de Tesla a montré que l’avenir doit appartenir aux véhicules électriques. On ne sait toujours pas à quoi ressembleront les futurs véhicules électriques et quelle position la Chine occupera à l’avenir dans l’industrie des véhicules électriques. C'est aussi le charme du travail industriel : contrairement aux sciences naturelles, même le résultat inévitable indiqué par les lois des sciences sociales exige que les gens y parviennent au prix d'une exploration et d'un effort ardus !
(Auteur : doctorant en ingénierie des véhicules électriques à l'Université technique de Munich)
Heure de publication : 24 mars 2022