Moteur électrique

Écrit par les experts Ooreka

Inventé puis utilisé avec succès une dizaine d'années avant le début du 20e siècle, le moteur électrique utilise l'électromagnétisme produit par une source d'alimentation électrique alternative ou continue. Réversible par nature, un moteur électrique peut donc se transformer en générateur électrique, lors d'un ralentissement notamment (freinage récupératif).

Moteur électrique : principe de fonctionnement

Il s'agit d'une machine tournante, capable de convertir de l'énergie électrique en énergie mécanique et inversement.

Dans le cas des moteurs électriques rotatifs, la machine se compose essentiellement d'un rotor (électro)magnétique tournant à l'intérieur d'un stator (électro)magnétique fixe, comme l'indique son nom. Celui-ci produit un champ magnétique fixe grâce à des aimants permanents ou non. Dans ce dernier cas, il s'agit d'électro-aimants constitués par un fil conducteur, souvent du cuivre émaillé finement enroulé.

Dans les deux cas, ils produisent un puissant champ magnétique fixe, tandis que les électro-aimants en fils de cuivre bobinés sur le rotor génèrent un autre champ magnétique décalé. Le pôle Nord attirant le pôle Sud, cette quadrature constante provoque un couple de rotations au niveau du rotor. Le principe de base des moteurs électriques est donc d'utiliser la propriété d'attraction des deux pôles d'un aimant ou d'un électro-aimant plus puissant. Mécaniquement beaucoup plus simple que ses homologues thermiques, son rendement quasi constant est également 3 à 10 fois supérieur avec 80 à 90 %.

Aujourd'hui, grâce aux progrès de l'électronique de puissance, les véhicules électriques peuvent utiliser des moteurs à courant alternatif synchrone ou asynchrone. Cependant, ce dernier devra être généré par un onduleur à partir du courant continu des batteries embarquées, ce qui provoque des pertes de rendement.

Pour optimiser l'autonomie, cet onduleur électronique peut être réversible afin de profiter du frein moteur récupérateur de la machine électrique de propulsion. La fréquence délivrée par l'onduleur conditionne également la vitesse de rotation du moteur tandis que la modulation de la tension fera varier le couple et donc la puissance du moteur électrique.

Moteur électrique à courant continu

Historiquement, il fut le premier à être utilisé en automobile et avec succès : la « Jamais contente » franchit la barre des 100 km/h le 29 avril 1899 avec presque 106 km/h. Fuselée comme une torpille, elle était techniquement 100 % française, du moteur électrique de 50 kW (68 ch) aux batteries Fulmen.

D'une façon générale, les moteurs à courant continu possèdent un stator à aimants permanents suffisants pour les faibles puissances. Pour les fortes puissances, on utilisera un stator bobiné devenant un puissant électro-aimant.

Directement alimenté par le courant continu issu des batteries embarquées, il est techniquement facile d'en régler la vitesse de rotation et ce fut la raison principale de son choix dans la 1re génération de véhicules électriques née au début des années 90, comme les Citroën AX ou Peugeot 106.

Moteur électrique à courant alternatif synchrone

Le rotor étant toujours une pièce magnétique, il possède un pôle Nord et Sud. Tout autour de lui, le stator bobiné va créer un champ électromagnétique tournant et d'intensité variable. En vertu du principe d'attraction magnétique, le rotor va donc suivre la rotation du champ statorique jusqu'à égaler sa vitesse angulaire : on parlera alors de moteur synchrone.

Son glissement étant nul, son rendement est encore meilleur que celui du moteur asynchrone avec 90 à 95 %. De plus, dans sa version légère à rotor à aimants permanents, les pertes de son bobinage rotoriques sont absentes et celui du stator reste facile à refroidir. Cette version est donc devenue le choix privilégié pour la plupart des véhicules électriques récents comme le trio Mitsubishi I-Miev, Peugeot Ion et Citroën C-Zéro ou les hybrides de Toyota ou PSA.

Bon à savoir : en version génératrice, donc entraîné mécaniquement, il devient l'alternateur de votre automobile !

Moteur électrique à courant alternatif asynchrone

Compact, robuste et fiable, il est aussi appelé moteur à induction, car son rotor est également bobiné. Cependant, ici, on ne trouvera qu'un seul enroulement rotorique isolé du stator au lieu des 3 de son cousin synchrone. Ce rotor n'étant donc pas directement alimenté électriquement, il n'est que le siège de courants induits par le champ électromagnétique tournant. Ledit courant induit va créer un autre champ électromagnétique dans ce rotor. Il va alors tourner, mais avec un léger glissement ; on parle de moteur asynchrone, en référence à la fréquence du courant alternatif qui l'alimente. Cette différence caractérise le glissement (de 2 à 10 %). Malheureusement, elle impacte directement son rendement qui baisse entre 75 à 80%.

Pour obtenir des puissances et des rendements plus élevés, à partir de 5 000 W, on passera du 230 V monophasé classique au 380 V triphasé. Ces moteurs asynchrones triphasés sont également capables de tourner dans les 2 sens possibles en permutant 2 des phases d'alimentation.

Toutes ces caractéristiques en font un bon candidat pour des applications aux transports et en particulier hybrides ou aux véhicules électriques (VE) purs, comme tous les modèles Tesla et Renault Zoé.

À noter : dans le cas d'un véhicule électrique, le groupe motopropulseur (GMP) désigne l'ensemble machine(s) ou moteur(s) électrique(s), là où sont les batteries embarquées, l'électronique de puissance et les calculateurs de gestion de l'ensemble.

Critères économiques des moteurs électriques

Achat d'un véhicule à moteur électrique

Même si la batterie représente la part la plus importante du coût de véhicules électriques, c'est surtout la production actuelle en petite série qui grève le prix final. Cela dit, l'offre étant inférieure à la demande, les prix restent parfois élevés.

La France étant un pays en surproduction chronique d'électricité, un réseau dense de recharge et des primes d'achats ont été mis en place pour favoriser ce marché.

Pour 2015, et des véhicules particuliers neufs émettant localement moins de 20 g de CO² au kilomètre comme les VE, ce bonus peut atteindre 6 300 € dans la limite de 27 % du coût d'acquisition totale TTC (location de la batterie incluse). Depuis le 1er avril 2015, l'État a ajouté une prime à la conversion d'un véhicule diesel immatriculé avant le 1er janvier 2001 portant l'aide totale à 10 000 €.

Important : les sociétés ou collectivités françaises sont aussi bénéficiaires de ces primes et seront souvent exonérées de taxe sur les véhicules de société (TVS) selon la région.

Coût d'utilisation d'un moteur électrique

Comparé à un véhicule thermique, qui sera toujours pris en référence vu son antériorité, le véhicule électrique rechargeable possède un très bon rendement global de propulsion.

De ce fait, il consomme très peu d'énergie électrique en particulier en circuit urbain. Dans ces conditions de circulation « hachées », le freinage récupératif, d'environ 30% du total récupérable, participe à l'obtention de l'autonomie maximale. Logiquement, il sera donc moins sensible à l'évolution du prix de l'énergie électrique contrairement aux véhicules thermiques, voire hybrides.

De son coté, actuellement, l'entretien reste financièrement réduit de 50% en moyenne. Le poste de dépenses principal demeure la location de la batterie du véhicule parfois obligatoire, chez Renault notamment.

À titre d'exemple, des véhicules électriques tels que la Renault Zoé deviendront plus économiques que leur équivalent thermique de puissance égale (Clio 1,2 16V 75 CV, essence) à partir de 10 000 km par an, voire moins, en rechargeant exclusivement en heures creuses ou mieux, gratuitement. Cependant, cela reste une valeur bien limite vu que le kilométrage moyen d'un second véhicule en France est précisément de 9 000 km.

Revente d'un véhicule à moteur électrique

Actuellement, le faible recul de 5 ans ne permet pas encore de se forger une opinion vraiment claire. Néanmoins, les plus récentes cotes Argus de VE sont élevées, car on a pu constater :

  • le vieillissement des batteries tant redouté par les clients n'a pas eu lieu (200 000 km ou 10 ans minimum) ;
  • les charges rapides impactent peu l'autonomie (15 % environ) et la fiabilité des batteries ;
  • le plaisir de conduite et les économies client sont bien réels.

Cependant, étant donnés les progrès rapides attendus en autonomie, avec un objectif de 300 km, avant 2020, on peut penser que les modèles actuels devenus moins attractifs subiront une décote plus prononcée à l'arrivée de ces nouveaux modèles. 

Autres critères de choix des moteurs électriques

Les moteurs électriques possèdent de nombreux avantages, tant en termes de conduite que de propreté. Seul hic, ils ne permettent pas encore les longs trajets sans recharge. Actuellement, le meilleur modèle disponible semble être la Tesla Model S P90, 270 km à 130 km/h.

Agrément de conduite

En un mot : excellent. Que ce soit au niveau du silence de fonctionnement, des reprises éclairs ou de la facilité de la conduite en toute circonstance, les voitures électriques atteignent des sommets.

Avec un VE, le démarrage est toujours instantané été comme hiver, la fonction Start and stop est naturelle et il est impossible de caler, même dans les pires conditions. Le conduire est une expérience fabuleuse qui démode instantanément les thermiques : vous êtes enfin au 21e siècle automobile !

Ces qualités extrêmes s'expliquent principalement par :

  • un silence inhérent au moteur électrique, à l'absence de vibrations à l'arrêt et à une absorption acoustique résiduelle par la masse du VE ;
  • des reprises et accélérations musclées dues à la puissance électrique délivrable par les batteries Li-Ion et le fort couple naturel du moteur électrique du démarrage aux régimes moyens ;
  • une facilité de conduite grâce à l'absence de boîte de vitesses, une maîtrise de la vitesse très facile et un frein moteur récupératif important (réglable).

Bon à savoir : si les temps de recharge restent encore élevés, il est devenu impossible de rester en panne grâce aux très nombreux points de recharge disponibles en Europe (près de 100 000). Ces derniers sont très facilement visualisables et intégrés à la navigation GPS des véhicules électriques. Voici le site référence collaboratif qui recense les plus de 26 000 points de recharge rien qu'en France.

Moteurs électriques : jusqu'à 100 km par jour

Avec les véhicules électriques actuellement disponibles à la vente, le trajet idéal sera un parcours aller-retour prévisible jusqu'à 150 kilomètres par jour. Bien sûr, on pourra doubler ces valeurs s'il est possible de recharger son véhicule à destination, sur son lieu de travail notamment. C'est pourquoi, les entreprises et les collectivités demeurent encore pour un temps les principaux clients des VE.

À cause de la faible quantité d'énergie embarquée à bord des batteries actuelles, équivalant à une fourchette de 2 à 8 litres d'essence, on évitera les trajets à vitesse élevée, au-delà de 110 km/h. En effet, la puissance nécessaire étant proportionnelle à la vitesse au cube, l'autonomie finale sera donc très fortement impactée par la vitesse atteinte, comme avec votre auto actuelle du reste.

Les lois de la physique étant les mêmes pour tous les véhicules motorisés, l'utilisation de la climatisation, du chauffage (électrique), des nombreux consommateurs électriques ou les fortes accélérations réduiront également l'autonomie. Les températures extrêmes ont également un effet négatif sur les batteries et réduisent le rayon d'action de façon sensible mais toujours réactualisée par l'indicateur d'autonomie du VE.

A contrario, une conduite coulée mais efficace en utilisant le frein moteur récupératif sera capable de vous assurer une autonomie maximale, voire supérieure à celle prévue par le constructeur : l'écoconduite est ici visiblement validée !

Attention : à de rares exceptions près, comme la Renault Zoé, les VE ne sont pas homologués pour tracter une remorque.

Aspects environnementaux des moteurs électriques

À l'instar des autres véhicules automobiles, une directive européenne oblige un taux de recyclage et de réutilisation d'au moins 85 % de la masse dès 2015. De fait, on atteint déjà plus de 96 % en taux de valorisation sur un VE ou un véhicule hybride.

Évidemment, dans le cas d'un VE, la masse de la batterie est relativement importante tout comme la valeur des métaux précieux qu'elle renferme. Cela dit, elle est capable d'assurer son rôle durant toute la vie du véhicule avec une durée de vie optimale de 10 ans environ. Au-delà, l'autonomie sera donc légèrement amoindrie, mais l'utilisation du véhicule demeurera identique.

Si le recyclage des batteries au plomb (Pb), au nickel cadmium (NiCd) ou au nickel métal hydrure (NiMh) est déjà connu, exploité et rentable, la nouvelle filière Li-ion est en cours de mise en place sans problèmes particuliers. Une seconde vie des batteries de traction peut être facilement envisagée pour des applications de stockage solaires ou éoliennes collectives, voire domestiques, en autoconsommation.


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