🏎️ Performance et rendement de la voiture électrique
La récupération d'énergie au freinage, le rendement du moteur électrique, et pourquoi 300 chevaux électriques battent 300 chevaux thermiques dès le premier mètre.
On parle beaucoup du CO₂ de la voiture électrique, et beaucoup moins de ce qui, pour un ingénieur, est le vrai argument : c'est d'abord une machine infiniment mieux conçue thermodynamiquement. Un moteur thermique est une machine à faire de la chaleur qui, accessoirement, fait un peu de mouvement. Un moteur électrique fait du mouvement, et accessoirement un peu de chaleur.
⚙️ Où va l'énergie, de la batterie aux roues
Prenons 50 kWh stockés dans la batterie et suivons-les jusqu'au bitume. Chaque étage a un rendement, et ils se multiplient.
Environ 84 % de l'énergie de la batterie arrive aux roues. Le département américain de l'Énergie retient plus de 77 % depuis la prise, ce qui inclut en plus les pertes de la recharge et les auxiliaires (chauffage, climatisation, électronique).
Et côté thermique : 12 à 30 %
Le même organisme retient 12 à 30 % pour une voiture essence, du réservoir aux roues. Le rendement théorique maximal d'un moteur à essence tourne autour de 33 %, mais uniquement dans sa plage optimale, à charge élevée et à régime moyen. Or en ville, on n'y est quasiment jamais : on démarre à froid, on change sans arrêt de rapport, on roule à bas régime et à faible charge, on s'arrête au feu moteur tournant. Le rendement réel tombe alors autour de 20 %, parfois moins.
Autrement dit : sur 50 kWh d'essence (soit environ 5,6 litres), 40 kWh partent en chaleur dans le bloc, le radiateur et l'échappement. Il reste 10 kWh de mouvement. Et en ville, une grande partie de ces 10 kWh finit… dans les disques de frein, transformée en chaleur elle aussi, à chaque décélération. Une thermique n'a aucun moyen de récupérer son énergie cinétique.
Bilan : 42 kWh aux roues pour l'électrique, environ 10 pour la thermique. Pour la même énergie embarquée.
🔩 Quels moteurs, et pourquoi ils ne font aucun bruit
Synchrone à aimants permanents
Le plus répandu. Des aimants au néodyme sur le rotor, qui suit exactement le champ tournant du stator. Meilleur rendement de tous, jusqu'à 97 % au point optimal, et le plus compact. Son défaut : il dépend des terres rares.
Synchrone à rotor bobiné
Mêmes principes, mais le champ du rotor est créé par un bobinage alimenté, pas par des aimants. Aucune terre rare, et on peut couper l'excitation en roue libre. C'est le choix de Renault et de BMW.
Asynchrone, dit à induction
Le stator induit lui-même les courants du rotor, qui tourne légèrement moins vite que le champ, d'où le nom. Robuste, sans aimant, très bon marché, un peu moins efficace à charge partielle. Tesla l'utilise sur l'essieu avant.
Les deux premiers, comme la plupart des moteurs de voiture, sont sans balais (brushless) : aucune pièce ne frotte pour amener le courant, c'est l'électronique qui commute les phases. Résultat, il n'y a qu'une seule pièce en mouvement, le rotor, qui tourne sur deux roulements. Pas de pistons qui montent et descendent, pas de soupapes, pas de vilebrequin, pas d'explosions, pas d'échappement. D'où le silence.
Alors pourquoi un vélo électrique siffle, lui ?
Parce que le peu de bruit que fait une machine électrique est d'origine magnétique : les forces qui s'exercent entre le stator et le rotor déforment très légèrement la carcasse, à la fréquence de commutation, et cette vibration devient un sifflement. Tout dépend alors de la qualité de la commande.
Un moteur de vélo bon marché est piloté en créneaux, à basse fréquence, ce qui crée une forte ondulation de couple et des harmoniques en plein dans la bande audible. S'y ajoutent souvent des engrenages de réduction en plastique. Une voiture, elle, utilise une commande vectorielle sinusoïdale avec une fréquence de découpage de 10 à 20 kHz, parfois volontairement rendue aléatoire pour étaler le bruit sur le spectre : on repousse le sifflement à la limite de l'audition, voire au-delà.
♻️ Le freinage régénératif : le moteur qui tourne à l'envers
Une machine électrique est réversible par nature. Alimentée, elle produit du couple. Entraînée, elle produit du courant. Il n'y a strictement rien à ajouter à la voiture : il suffit que l'onduleur inverse le sens du transfert. Lever le pied suffit à transformer le moteur en génératrice, et le courant repart dans la batterie.
Le rendement de cette chaîne de régénération est d'environ 70 % : quand on ralentit de 100 à 50 km/h, à peu près 70 % de l'énergie cinétique perdue revient dans la batterie. Sur un cycle complet, le département américain de l'Énergie mesure une récupération moyenne de 17 % de l'énergie, qui monte à 34 % en ville et tombe à 6 % sur autoroute, tout simplement parce qu'on y freine peu.
L'exemple qui parle le mieux : la descente de col
Une voiture de 1 900 kg qui descend 1 500 mètres de dénivelé restitue une énergie potentielle de m·g·h = 1 900 × 9,81 × 1 500 ≈ 28 MJ, soit 7,8 kWh. À 70 % de rendement, cela fait environ 5,5 kWh récupérés, soit près de 10 % d'une batterie de 60 kWh, gagnés en descendant. Et surtout, en descendant sans toucher une seule fois la pédale de frein : le moteur seul suffit à retenir la voiture, ce qui est aussi bien plus sûr qu'une thermique dont les freins chauffent et perdent leur efficacité.
La conséquence est moins connue et pourtant importante : les plaquettes et les disques ne s'usent presque plus. En conduite dite « à une pédale », le frein mécanique ne sert plus qu'aux arrêts d'urgence et aux derniers mètres. Or l'usure des freins n'est pas seulement un poste d'entretien : c'est aussi une source majeure de particules fines en ville. Moins de freinage mécanique, c'est moins de particules émises, en plus des plaquettes et des disques qu'on ne fabrique pas. Le seul point de vigilance est inverse : à force de ne plus servir, les étriers peuvent gripper, d'où les recommandations des constructeurs de freiner franchement de temps en temps.
Les chiffres de ces deux sources, freins et pneus, et la comparaison avec une thermique sont dans la section sur les particules fines de la page « pertinence écologique ».
🔁 Onduleur, redresseur : qui transforme quoi, et dans quel sens
Deux mots reviennent dès qu'on parle d'électronique de puissance, et ils font exactement l'inverse l'un de l'autre.
L'onduleur : continu vers alternatif
La batterie ne sait fournir que du continu, à tension fixe. Le moteur, lui, a besoin d'un champ tournant, donc de trois tensions alternatives décalées d'un tiers de tour. L'onduleur fabrique ces trois sinusoïdes en hachant le continu des milliers de fois par seconde avec six transistors. C'est lui qui décide de la vitesse et du couple.
Le redresseur : alternatif vers continu
L'opération inverse, celle dont on a besoin au freinage : la machine entraînée par les roues produit de l'alternatif, qu'il faut remettre en continu pour le rendre à la batterie. La version la plus simple, la plus vieille et la moins chère s'appelle un pont de diodes.
Pourquoi une voiture électrique n'a pas besoin d'un redresseur en plus
C'est le point qui surprend : sur une voiture électrique, l'onduleur est déjà le redresseur. Deux raisons se superposent.
D'abord, chacun des six transistors de l'onduleur porte une diode montée en antiparallèle : sur un MOSFET elle est même inhérente au composant, c'est la fameuse diode de structure. Ces six diodes, câblées comme elles le sont, forment exactement un pont de diodes triphasé : même sans rien commander, un moteur entraîné renvoie déjà du courant redressé vers la batterie, dès que sa tension dépasse celle du pack. Le matériel du schéma ci-dessus est donc déjà là, gratuitement.
Ensuite, on fait beaucoup mieux que laisser les diodes travailler. Une diode perd environ 0,7 volt quel que soit le courant qui la traverse : à 300 ampères, cela fait 210 watts partis en chaleur, par diode. Le calculateur commande donc les transistors pour qu'ils conduisent à la place de leur diode, en redressement synchrone : un transistor ouvert ne perd que sa résistance, quelques milliohms, soit dix fois moins. Et surtout, commander les transistors permet de doser le couple de freinage au newton-mètre près, ce qu'un pont de diodes seul ne saurait pas faire. Le même boîtier travaille donc dans les deux sens, et c'est du logiciel qui décide lequel.
Un alternateur produit-il du continu ou de l'alternatif ?
De l'alternatif, toujours, et le nom le dit. Le principe physique ne permet pas autre chose : une bobine devant laquelle défilent alternativement un pôle nord et un pôle sud voit un champ qui change de sens, donc une tension qui change de signe. Toute machine tournante à aimants ou à inducteur produit de l'alternatif.
L'alternateur d'une voiture thermique ne fait pas exception : il produit du triphasé, et c'est un pont de six diodes intégré dans son capot qui le redresse pour charger la batterie 12 volts. La dynamo, elle, désignait historiquement une machine à collecteur, un contact tournant qui inverse les connexions au bon moment : elle redressait mécaniquement, avant l'invention des diodes au silicium. C'est la seule vraie génératrice à courant continu, et on l'a abandonnée parce que le collecteur s'use.
🚲 Pourquoi un vélo ne récupère rien en descente
La question tombe naturellement : si une voiture récupère en descendant un col, pourquoi pas un vélo ? Réponse : il lui manque du matériel, et pas qu'un peu.
Une machine électrique sur la roue
Un vélo musculaire n'a aucune machine tournante : rien ne peut convertir le mouvement en électricité. C'est la première pièce manquante, et la plus évidente.
Un convertisseur réversible
Il faut l'électronique de puissance qui redresse l'alternatif de la machine et l'élève à la tension du pack. Sur un vélo à assistance, ce boîtier existe, mais il est presque toujours conçu pour ne travailler que dans un sens.
Une batterie qui accepte la charge
Avec son électronique de protection, qui doit autoriser un courant entrant, le limiter, et refuser de charger une batterie froide ou déjà pleine.
Une commande et une poignée
Il faut enfin doser le couple de freinage, sinon la roue arrière se bloque. Sur une voiture, c'est la pédale et le calculateur ; sur un vélo, il faudrait une poignée dédiée.
Et même sur un vélo à assistance électrique, qui a pourtant moteur, batterie et électronique, la régénération reste rare : la pièce qui bloque est mécanique. Les moteurs pédaliers et les moteurs-roues à engrenages, de très loin les plus répandus, sont montés derrière une roue libre, un embrayage qui découple le moteur dès qu'on cesse de pédaler, pour qu'on n'ait pas à entraîner ses pignons. La roue tourne, le rotor non : il n'y a rien à récupérer. Seuls les moteurs-roues à entraînement direct, sans engrenage et donc sans roue libre, peuvent régénérer, et quelques modèles le font.
Et le gain serait faible, de toute façon
Un cycliste et son vélo, c'est environ 90 kg. À 25 km/h, l'énergie cinétique vaut ½·m·v² = 0,5 × 90 × 6,9² ≈ 2 kJ, soit 0,6 Wh : un freinage complet ne rendrait pas de quoi allumer une lampe une heure. Une vraie descente est plus intéressante : 200 mètres de dénivelé, c'est m·g·h = 90 × 9,81 × 200 ≈ 177 kJ, soit 49 Wh, dont on récupérerait peut-être 30 Wh, environ 6 % d'une batterie de vélo de 500 Wh. Non négligeable en montagne, mais qui ne justifie ni le surpoids du moteur à entraînement direct, ni son frottement permanent quand on pédale. Sur une voiture de 1 900 kg, l'arbitrage s'inverse : la masse est vingt fois plus grande, l'énergie en jeu aussi.
🔦 La dynamo de vélo : le plus petit alternateur du monde
Le vélo a pourtant bien une génératrice, depuis un siècle : la dynamo qui allume le phare. Malgré son nom, ce n'est pas une dynamo au sens strict, c'est un alternateur à aimants permanents.
Le principe tient en trois pièces : un aimant permanent entraîné par la roue, une bobine de fil de cuivre fixe, et un circuit magnétique en fer doux qui canalise le champ. Quand l'aimant tourne, la bobine voit passer un pôle nord, puis un pôle sud, puis un nord : le champ qui la traverse change de sens à chaque passage. Or une bobine ne réagit qu'à la variation du champ, jamais à sa valeur : c'est la loi de Lenz-Faraday. La tension produite est donc alternative, et sa fréquence est proportionnelle à la vitesse du vélo. C'est aussi pour cela qu'une dynamo n'éclaire plus à l'arrêt.
Pourquoi l'ampoule s'allume quand même
Une ampoule à incandescence se moque du sens du courant : elle chauffe par effet Joule, en R·I², et le carré fait disparaître le signe. Du courant dans un sens ou dans l'autre chauffe le filament de la même façon. C'est pour cette raison qu'une dynamo classique n'a jamais eu besoin du moindre redresseur : 6 volts, 3 watts, deux fils, et c'est tout.
Les phares à LED, eux, ont un pont de diodes
Une LED est une diode : elle ne conduit que dans un sens, et elle clignoterait à basse vitesse. Les phares modernes embarquent donc exactement le pont de diodes dessiné plus haut, en miniature, suivi d'un condensateur. Ce condensateur, chargé en roulant, est ce qui permet au feu de rester allumé quelques minutes à l'arrêt, au feu rouge.
Deux familles cohabitent. La dynamo bouteille, celle qu'on rabat contre le flanc du pneu, coûte trois fois rien mais patine sous la pluie, use la gomme et ne rend que 30 à 40 % de l'énergie qu'elle prélève. Le moyeu dynamo, intégré dans l'axe de la roue avant, monte à 60 ou 75 % de rendement, ne s'use pas et se fait oublier. Dans les deux cas, on parle de 3 watts : à peu près 1 % de ce qu'un cycliste produit en pédalant tranquillement, et cent mille fois moins qu'un moteur de voiture électrique en régénération.
🚀 Pourquoi une électrique de 300 ch bat une thermique de 300 ch
C'est le point le plus contre-intuitif, et il tient entièrement à une formule : P = C × ω, la puissance est le produit du couple par la vitesse de rotation. Deux voitures peuvent annoncer la même puissance maximale et ne pas du tout délivrer la même puissance moyenne.
D'abord, une précision qui compte
À l'arrêt complet, une électrique ne dispose pas de 100 % de sa puissance : puisque ω = 0, la puissance vaut zéro, quelle que soit la machine. Ce qui est maximal à l'arrêt, c'est le couple, et c'est ce qui plaque au siège. La vraie différence est ailleurs : le couple maximal est disponible dès le premier tour de roue et sans délai, il s'établit en quelques millisecondes, contre plusieurs dixièmes de seconde pour un turbo qui doit monter en pression. Et la puissance maximale est atteinte dès 50 km/h environ, puis reste constante jusqu'à la vitesse maximale.
Un moteur thermique, lui, n'a de couple que dans une fenêtre de régime étroite. Voici les courbes typiques de deux moteurs de 300 ch, l'un à essence, l'autre diesel :
Le diesel a beaucoup plus de couple (plus de 600 N·m contre 420) et l'obtient bien plus bas, mais il atteint sa puissance maximale dès 4 000 tr/min et s'essouffle ensuite : sa plage utile est courte, d'où des rapports de boîte très étagés. L'essence a moins de couple mais tourne bien plus haut, et va donc chercher sa puissance dans les tours. Dans les deux cas, la puissance ne vaut son maximum qu'à un seul régime.
Traduisons maintenant tout cela en puissance disponible aux roues en fonction de la vitesse, en tenant compte des rapports de boîte :
La courbe jaune monte tout droit jusqu'à 50 km/h, puis reste collée à son plafond. La courbe kaki, elle, fait des dents de scie : à chaque passage de rapport, le régime retombe, la puissance chute d'un cinquième, et pendant la durée du passage la transmission ne transmet rien du tout.
Une précision honnête sur ce graphique : il montre la puissance disponible, pas celle qu'on arrive à poser au sol. Sur le premier rapport, la thermique affiche 180 kW dès 35 km/h, mais elle est alors totalement limitée par l'adhérence : à cette vitesse, ces 180 kW représenteraient plus d'une fois et demie l'accélération de la pesanteur, et les roues patineraient. La simulation du 0 à 100 en tient compte, avec une limite de 0,6 g pour la thermique et de 0,87 g pour l'électrique à quatre roues motrices.
Électrique, 300 ch
Puissance moyenne délivrée sur le 0 à 100 : 166 kW, soit 75% du maximum. Temps obtenu par le modèle : 4,6 secondes.
Thermique, 300 ch
Puissance moyenne délivrée sur le 0 à 100 : 110 kW, soit 50% du maximum. Temps obtenu par le modèle : 5,9 secondes.
Voilà toute l'explication. À puissance maximale annoncée identique, l'électrique délivre une puissance moyenne nettement supérieure, et elle est en plus plus lourde de 300 kg dans cette comparaison. Elle gagne quand même, et largement. C'est pour cela qu'une familiale électrique de série accélère aujourd'hui comme une sportive d'il y a quinze ans, sans boîte de vitesses, sans bruit et sans embrayage à ménager.
Ce qu'il faut retenir, et le lien avec le climat
La voiture électrique n'est pas seulement trois à quatre fois moins émettrice de CO₂ en analyse de cycle de vie que son équivalent thermique. C'est aussi, techniquement, un bien meilleur objet : elle transforme 84 % de son énergie en mouvement au lieu de 20 %, elle récupère une partie de son énergie au freinage au lieu de la brûler dans des disques, elle n'use quasiment plus ses plaquettes et émet donc moins de particules en ville, elle ne fait pas de bruit, et elle accélère mieux à puissance égale. Le seul argument sérieux qui reste contre elle, c'est la fabrication de la batterie ; et c'est précisément celui qui s'améliore le plus vite.
Les sources et les hypothèses des deux graphiques
- Department of Energy des États-Unis, Where the Energy Goes : plus de 77 % de l'énergie prise au réseau arrive aux roues d'une électrique, contre 12 à 30 % pour une essence, et récupération moyenne au freinage de 17 % (34 % en ville, 6 % sur autoroute)
- Freinage régénératif : principe de réversibilité de la machine électrique et rendement de la chaîne de régénération, de l'ordre de 70 %
- Chaîne de rendement : décharge de la batterie 96 %, onduleur 97 %, moteur 92 %, réducteur 97 %, soit 84 % au total. Ce sont des valeurs de point de fonctionnement courant ; le rendement instantané varie beaucoup selon la charge et la température.
- Courbes des moteurs thermiques : modèle polynomial classique de la puissance en fonction du régime, calé sur 300 ch à 6 200 tr/min pour l'essence et à 4 000 tr/min pour le diesel, avec les rupteurs correspondants. Le couple est déduit de la puissance par C = 9 550 × P / N.
- Le 0 à 100 km/h : intégration numérique de l'équation du mouvement, avec 1 900 kg et S·Cx = 0,65 m² pour l'électrique, 1 600 kg et 0,68 m² pour la thermique, une résistance au roulement de 1 %, une limite d'adhérence, et 0,3 seconde de coupure de couple à chaque passage de rapport. Ce sont des ordres de grandeur destinés à comparer les deux courbes, pas des mesures de banc.