voiture électrique innovante
Par Ahmed KARIMINE - Consultant - Financement de l’Innovation - ACIES

Voitures électriques innovantes : un enjeu majeur de la transition énergétique.

L’utilisation effrénée des combustibles fossiles pour les différents besoins énergétiques humains, caractéristique du XXème siècle, laisse aujourd’hui la place à une diversification du parc énergétique des pays développés ou en voie de développement. Le secteur automobile ne fait pas exception. En effet, l’évolution des exigences des consommateurs, couplée aux différents dispositifs d’incitation à l’utilisation de technologies « vertes » et au cours du pétrole à tendance haussière, pousse l’industrie automobile à proposer de plus en plus de modèles de voitures électriques ou hybrides.

En une vingtaine d’années, suite à la commercialisation en 1996 de la EV1 de General Motors, première voiture électrique moderne produite en série, le segment des voitures électriques a connu une explosion considérable de l’offre et de la demande. Sur la période 2014-2016, les ventes mondiales annuelles ont plus que doublé, atteignant 777 497 véhicules en 2016 [1]. Cette croissance, principalement portée par la Chine, incite les constructeurs à développer continuellement des technologies de plus en plus innovantes, faisant du segment électrique et hybride un des principaux secteurs d’investissement. Dans le segment des véhicules électriques, on peut distinguer les véhicules alimentés par une batterie d’accumulateurs (tout-électrique), une pile à combustible (véhicules à hydrogène) ou un moteur thermique générateur (véhicules hybrides). C’est sur cette première catégorie que nous nous focaliserons dans cet article.

Dans ce contexte de réchauffement climatique, où les acteurs de la société civile, des administrations et des industries appellent à de profonds changements, d’importantes annonces ont été faites. En France, Nicolas HULOT, ministre de la Transition écologique et solidaire, a annoncé « la fin de la vente » de véhicules essence et diesel en 2040. De grands constructeurs traditionnels, comme le suédois Volvo, ont d’ores et déjà annoncé leur volonté de produire uniquement des véhicules électriques, et ce dès 2019. D’autres, comme le constructeur américain Tesla, ont bâti leur business model sur le tout-électrique.

La caractéristique ayant longtemps limité l’essor des véhicules tout-électriques est leur autonomie. Celle-ci est principalement conditionnée par la capacité de stockage des batteries embarquées. On retrouve principalement deux technologies majeures de batteries électrochimiques utilisées dans le secteur des voitures électriques [2] : les batteries nickel-hydrure métallique NiMH (arrivées à maturité technologique) et les batteries Li-ion ayant un fort potentiel de croissance en termes de densité d’énergie, de maintenance, et de recharge rapide [3], comme on peut le remarquer en Figure 1. Ainsi, les batteries Li-ion sont celles utilisées sur la majorité des modèles de véhicules commercialisés aujourd’hui et affichent de bonnes performances en termes d’autonomie. Pour cette caractéristique, le champion des principaux constructeurs est aujourd’hui Tesla, avec 542 km d’autonomie annoncée pour les modèles S et X. Pour des gammes de prix plus basses, la ZOE de Renault affiche une autonomie de 400 km, grâce notamment à son faible poids.

Toutefois, les batteries Li-ion présentent plusieurs inconvénients, comme leur coût initial élevé [4] ou leur dégradation au cours du temps et à haute température [5], qui peuvent être surmontés par l’utilisation de batteries LiS et Li-Air. De nombreux développements sont donc engagés pour améliorer les performances des batteries Li-ion, mais également pour s’orienter vers ces nouveaux types de batteries aux performances supérieures. Cela passe à la fois par des évolutions matérielles, mais aussi logicielles, avec la conception de nouveaux systèmes de gestion de l’énergie. C’est le cas notamment de Forsee Power, entreprise française proposant une large gamme de batteries, qui est aujourd’hui considérée comme « le diamant français de l’électromobilité » [6]. En plus d’offrir les cellules de batterie les plus robustes du marché, l’entreprise a développé un système de gestion de l’énergie permettant d’améliorer sensiblement les performances de leurs batteries.

Etat d'avancement des développements sur les différentes technologies de batteries pour véhicules électriques

Figure 1 : Etat d’avancement des développements sur les différentes technologies de batteries pour véhicules électriques [7].

Un autre des principaux axes de développement concerne le poids des véhicules. Cet axe est commun à toutes les familles de voitures, car c’est une problématique centrale pour la consommation énergétique. Ainsi, le secteur profite et accompagne l’essor de l’utilisation des matériaux composites, combinant les propriétés mécaniques, électriques et thermiques de différentes familles de matériaux, dans un souci d’allégement des différentes pièces de la voiture. De même, de nouvelles structures sont étudiées, avec notamment l’utilisation de matériaux sandwich, composés de deux peaux, encadrant une âme légère. Ces structures ont une grande rigidité en flexion et torsion avec des poids plus faibles qu’une structure pleine [8].

De nombreux développements sont également engagés sur les systèmes de recharge des voitures, permettant de maximiser le temps de disponibilité des véhicules, qui reste un des rares freins à leur expansion. En effet, entre passer quelques minutes à la pompe tous les 750 km, et patienter une à plusieurs heures tous les 300 km, le choix le plus pratique reste celui des moteurs à explosion. Ici aussi, Tesla reste à la pointe avec ses super-chargeurs pour ses modèles qui offrent plus de 270 kilomètres d’autonomie en moins de 30 minutes [9]. Leur future génération de super-chargeurs, disponible dès la fin de l’année 2017 ou le début de l’année 2018, dotée d’une puissance de plus de 350 kW, permettront de recharger complètement la batterie des modèles commercialisés en moins de 10 minutes.

Il serait difficile d’établir une liste exhaustive des innovations développées pour les véhicules électriques, mais certaines tendances communes sont intéressantes. En effet, ces différentes innovations sont portées par les nombreuses compétitions de sports automobiles, considérées comme les plus grandes vitrines pour les derniers développements du secteur. Ainsi, que ce soit avec la Formule E, les Electric GT World Series, ou les 24 Heures du Mans (pour voitures hybrides), la voiture électrique est à l’honneur dans des compétitions prestigieuses, qui permettent de tester en conditions extrêmes les innovations qui seront commercialisées dans les prochaines années. Toute la filière automobile participe donc à ces développements, depuis les principaux constructeurs aux sous-traitants de différents rangs.

Le secteur des véhicules électriques est donc porteur, en constante croissance, qui apporte une réponse à de réels défis environnementaux. Pour preuve, Tesla est devenu pendant quelques mois en 2017, le constructeur nord-américain avec la plus grande valorisation boursière, devant General Motors et Ford. Des résultats impressionnants pour un constructeur qui fêtera ses 15 ans en 2018. En outre, les développements de la filière dépassent du simple cadre des véhicules. Par exemple, Engie développe actuellement un système de transmission bidirectionnelle des flux d’énergie entre la voiture et son point de charge. Ce système permet, dans le cas de maisons énergétiquement auto-suffisants, d’utiliser le véhicule comme réservoir d’énergie pouvant palier aux potentielles surconsommations de l’habitation. La voiture n’est donc plus seulement un objet consommateur d’énergie, mais un outil intégré à un écosystème plus global. Les développements actuels et futurs doivent donc prendre en compte ces nouvelles problématiques d’intégration, pour toujours aller vers des systèmes plus performants, afin d’être moteur de la transition énergétique au cœur de la société.


Références bibliographiques
[1]RAPIER, « U.S. Electric Vehicle Sales Soared In 2016 », Forbes, 05/02/2017. [En ligne]. Consulté le 11/07/2017. Disponible sur : https://www.forbes.com/sites/rrapier/2017/02/05/u-s-electric-vehicle-sales-soared-in-2016/2/#6d4ba53fe614.
[2]ITANI, « Récupération d’énergie pour système intégré moteur roue, application au véhicule électrique », Thèse de doctorat, Université Paris-Saclay, 2017.
[3]BRENNA, F. FOIADELLI, M. LONGO, S. BARCELLONA et L. PIEGARI, «Li-Ion Battery: A Simplified Modelling Procedure and System Simulation », chez International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, Anacapri, Italie, 2016.
[4]CHATROUX, « Accumulateurs Lithium-ion et véhicules électriques », Symposium de Génie Electrique, 06/2016, Grenoble, France.
[5]Pistoia, « Battery Operated Devices and Systems – From Portable Electronics to Industrial Products», Elsevier, 2008.
[6]BEZIAT, « Forsee Power, le diamant français de l’électromobilité », Le Monde, 15/04/2017. [En ligne]. Consulté le 12/07/2017. Disponible sur : http://www.lemonde.fr/economie/article/2017/04/15/forsee-power-le-diamant-francais-de-l-electromobilite_5111729_3234.html#DxtgHH233Tclucy7.99.
[7]STEVIC, « New Generation of Electric Vehicle », Rijeka, Croatia: Intech, 2012.
[8]VERCHERE, « Structures sandwich acier/polymère/acier », Techniques de l’Ingénieur, 10/09/2011.
[9]Tesla, « Recharger ». [En ligne]. Consulté le 11/07/2017. Disponible sur : https://www.tesla.com/fr_FR/charging.