GESTION THERMIQUE DANS LES VÉHICULES ÉLECTRIQUES ET HYBRIDES

Plus de 2 millions de voitures électriques et hybrides rechargeables ont été vendues pour la première fois dans le monde en 2018. Avec 2,1 millions de véhicules vendus, leur part de marché est ainsi passée à 2,4 % de l'ensemble des nouvelles immatriculations - et la tendance est à la hausse. (Center of Automotive Management)
En Norvège, par exemple, la part de marché est déjà de 50 % ! 

Selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE), la croissance de la mobilité électrique et hybride est principalement due à des programmes gouvernementaux tels que les primes à la vente, les interdictions de circuler locales pour les voitures à moteur thermique ou les prescriptions en matière de pureté de l'air. L'organisation considère les véhicules électriques comme l'une des technologies d'entraînement actuelles pouvant être utilisées pour atteindre les objectifs de durabilité à long terme de réduction des émissions. Selon une étude réalisée par la société de conseil Pricewaterhouse-Coopers, une voiture neuve sur trois immatriculée en Europe en 2030 pourrait être une voiture électrique.

La question n'est donc plus de savoir si les véhicules électriques, hybrides ou à hydrogène l'emporteront réellement. Ils feront bientôt partie de la vie quotidienne sur nos routes. 

Ces véhicules devront également être entretenus et réparés, et le sujet de la gestion thermique deviendra de plus en plus complexe. Le contrôle de la température de la batterie et de l'électronique de puissance joue un rôle tout aussi important que le chauffage et le refroidissement de l'habitacle du véhicule. Les composants de la climatisation sont également nécessaires pour ces types d'entraînements, et leur importance ne cesse de croître, car la climatisation a souvent une influence directe ou indirecte sur le refroidissement des batteries et de l'électronique. La « maintenance de la climatisation » jouera donc un rôle encore plus important à l'avenir.

Le terme « hybride » signifie croisement ou combinaison. Dans la technologie automobile, il signifie que la technique d'entraînement classique d'un moteur thermique a été combinée avec les éléments d'un véhicule électrique.

La technologie hybride devient toujours plus exigeante techniquement en trois étapes : des véhicules à système Micro-hybrid, Mild-hybrid aux véhicules à système Full-hybrid. Malgré des différences techniques, toutes les technologies ont en commun le fait que la batterie utilisée est chargée par récupération de l'énergie de freinage.

La Toyota Prius, la BMW ActiveHybrid X6 (E72) ou le VW Touareg Hybrid sont des représentants actuels typiques des véhicules Full-hybrid. En revanche, la BMW ActiveHybrid 7 et la Mercedes S400 (F04) sont des exemples de la technologie Mild-hybrid.

Comme il ressort de l'aperçu, chacune des technologies dispose de diverses fonctions qui contribuent à économiser le carburant. Ces quatre fonctions sont représentées brièvement dans ce qui suit.

Par définition, un véhicule électrique est un véhicule entraîné par un moteur électrique. L'énergie électrique nécessaire à son déplacement provient d'une batterie de traction (accumulateur), c'est-à-dire pas d'une pile à combustible ou d'un prolongateur d'autonomie (range extender). Étant donné que la voiture électrique elle-même n'émet pas de polluants significatifs pendant son fonctionnement, elle est classée comme véhicule sans émissions.

Sur un véhicule électrique, les roues sont entraînées par des moteurs électriques. L'énergie électrique est stockée dans des accumulateurs se présentant sous la forme d'une ou de plusieurs batteries de traction ou d'alimentation.
Les moteurs électriques à commande électronique peuvent délivrer leur couple maximal même à l'arrêt. Contrairement aux moteurs thermiques, ils ne nécessitent généralement pas de boîte de vitesses manuelle et peuvent accélérer fortement à basse vitesse. Les moteurs électriques sont plus silencieux que les moteurs à essence ou diesel, presque sans vibrations, et n'émettent aucun gaz d'échappement nocif. Leur rendement est très élevé, avec plus de 90 %. 

L'économie de poids due à l'élimination des différents composants (moteur, boîte de vitesses, réservoir) du moteur thermique est contrebalancée par le poids relativement élevé des accumulateurs. Les véhicules électriques sont donc généralement plus lourds que les véhicules correspondants équipés d'un moteur thermique. La capacité de la ou des batteries a une grande influence sur le poids du véhicule et le prix.

Dans le passé, les véhicules électriques avaient de faibles autonomies avec une charge de batterie. Depuis peu, cependant, le nombre de voitures électriques capables d'atteindre des distances de plusieurs centaines de kilomètres est en augmentation, par exemple : Tesla Model S, VW e-Golf, Smart electric drive, Nissan Leaf, Renault ZOE, BMW i3.
Afin d'augmenter encore l'autonomie des véhicules électriques, des dispositifs supplémentaires (généralement un moteur thermique) sont parfois utilisés pour produire de l'électricité. C'est ce que l'on appelle le « prolongateur d'autonomie » ou « range extender ».

Afin qu'un véhicule électrique puisse fonctionner avec un rendement particulièrement élevé, la température du moteur électrique, de l'électronique de puissance et de la batterie doit être maintenue dans une plage de température favorable à un rendement optimal. À cet effet, un système de gestion thermique sophistiqué est nécessaire :

Grâce à leur rendement élevé, les entraînements électriques émettent peu de chaleur dans l'environnement pendant le fonctionnement et aucune chaleur à l'arrêt. Pour chauffer la voiture par basse température extérieure ou pour dégivrer les vitres, des chauffages supplémentaires sont donc nécessaires. Ceux-ci sont des consommateurs d'énergie supplémentaires qui pèsent très lourd en raison de leur forte consommation d'énergie. Ils consomment une partie de l'énergie stockée dans la batterie, ce qui a un effet considérable sur l'autonomie, surtout en hiver. Les chauffages auxiliaires électriques intégrés dans le système de ventilation en sont une variante simple, efficace, mais aussi très gourmande en énergie. C'est la raison pour laquelle des pompes à chaleur économes en énergie sont désormais également utilisées. En été, elles peuvent également servir de climatisation pour le refroidissement. Les sièges chauffants et les vitres chauffantes amènent la chaleur directement aux zones à chauffer et réduisent également les besoins de chauffage de l'habitacle. Les voitures électriques passent souvent leurs temps d'arrêt aux bornes de charge. Là, le véhicule peut être pré-tempéré avant de prendre la route sans solliciter la batterie. En cours de route, l'énergie nécessaire au chauffage ou au refroidissement est alors considérablement réduite. Désormais, des applications pour smartphones, avec lesquelles le chauffage peut être commandé à distance, sont également proposées. 

Différents systèmes de gestion sont utilisés pour les accumulateurs et assurent le contrôle de la charge et de la décharge, la surveillance de la température, l'estimation de l'autonomie et le diagnostic. La durabilité dépend essentiellement des conditions d'utilisation et du respect des limites de fonctionnement. Les systèmes de gestion de la batterie, y compris la gestion de la température, empêchent la surcharge ou la décharge profonde des accumulateurs et les conditions de température critiques qui pourraient être nuisibles et critiques pour la sécurité. La surveillance de chaque cellule de batterie permet de réagir avant que d'autres cellules tombent en panne ou soient endommagées. Les informations d'état peuvent également être enregistrées à des fins de maintenance et, en cas de défaut, des messages correspondants peuvent être transmis au conducteur.

Fondamentalement, la capacité de la batterie de la plupart des voitures électriques actuelles est suffisante pour la majorité des petites et moyennes distances. Une étude publiée en 2016 par le Massachusetts Institute of Technology est arrivée à la conclusion que l'autonomie des voitures électriques courantes actuelles suffisait pour 87 % de tous les déplacements. Toutefois, les autonomies sont extrêmement variables. La vitesse du véhicule électrique, la température extérieure et surtout l'utilisation du chauffage et de la climatisation conduisent à une réduction significative du rayon d'action. Cependant, les temps de charge de plus en plus courts et le développement constant de l'infrastructure de charge permettent d'augmenter encore le rayon d'action des voitures électriques. 

Des composants haute tension sont nécessairement installés dans les véhicules électriques et hybrides. Ils sont identifiés par des plaques d'avertissement standardisées. Tous les câbles haute tension sont de couleur orange vif, quel que soit le constructeur.

La procédure suivante s'applique lors de travaux sur des véhicules équipés de systèmes haute tension :

1. Mettre hors tension
2. Empêcher la remise sous tension
3. S'assurer de l'absence de tension

Respectez les indications des constructeurs automobiles et nos conseils d'atelier ! 

• Démarrer et déplacer le véhicule : Pour conduire un véhicule équipé d'un système haute tension, même si ce n'est que pour sortir de l'atelier ou y rentrer, la personne concernée doit être informée
• Entretien et maintenance : Les travaux d'entretien et de maintenance (changement de roues, révisions) sur les véhicules haute tension ne doivent être effectués que par des personnes préalablement informées des dangers de ces installations haute tension et instruites en conséquence par un « spécialiste des travaux sur les véhicules HT à sécurité intrinsèque »
• Remplacement de composants haute tension : Les personnes qui remplacent des composants haute tension tels qu'un compresseur de climatisation doivent posséder la qualification appropriée (spécialistes des travaux sur les véhicules HT à sécurité intrinsèque)
• Remplacement de la batterie : La réparation ou le remplacement de composants haute tension (batterie) nécessite une qualification spéciale.
• Dépannage/remorquage/récupération : Toute personne qui assure le dépannage des véhicules équipés de systèmes haute tension ou qui les remorque ou les récupère doit avoir reçu une formation sur la structure et le fonctionnement des véhicules et de leurs systèmes haute tension. En outre, les instructions respectives du constructeur du véhicule doivent être prises en compte au préalable. Si des composants haute tension (batterie) sont endommagés, il faut consulter les pompiers

Avec les entraînements classiques à moteur thermique, la climatisation de l'habitacle dépend directement du fonctionnement du moteur vu que l'entraînement du compresseur est mécanique. Les véhicules appelés Micro-hybrid par les professionnels et possédant uniquement une fonction Stop&Start, sont également équipés de compresseurs à transmission par courroie. En cas d'arrêt du véhicule et du moteur, un problème se pose, à savoir l'augmentation de la température à la sortie de l'évaporateur de la climatisation après seulement 2 secondes. L'augmentation lente de la température de soufflage de la ventilation ainsi que l'augmentation de l'humidité de l'air sont gênantes pour les passagers.

Pour faire face à ce problème, il est possible d'utiliser des nouveaux accumulateurs de froid, appelés évaporateurs accumulateurs.

Il est possible de refroidir l'habitacle chaud à la température souhaitée avant de prendre la route. Une télécommande permet de procéder à l'activation.

Ce refroidissement à l'arrêt n'est possible qu'en fonction de la capacité disponible de la batterie. Le compresseur est alors activé avec la plus faible puissance possible, en fonction des besoins de climatisation.

Avec les compresseurs haute tension actuels, la régulation de la puissance est effectuée en ajustant le régime par paliers de 50 tr/min. Il est donc possible de se passer d'une régulation interne de la puissance.

Contrairement au principe des plateaux oscillants, le plus souvent mis en oeuvre dans le domaine des compresseurs à entraînement par courroie, le principe Scroll est utilisé pour la compression du réfrigérant sur les compresseurs haute tension. Les avantages sont un gain de poids d'environ 20 % et une réduction équivalente de la cylindrée à puissance identique.

Pour générer le couple important nécessaire à l'entraînement du compresseur électrique, une tension continue de plus de 200 volts est appliquée, une valeur très élevée pour un véhicule. L'onduleur intégré dans le moteur électrique convertit cette tension continue en une tension alternative triphasée requise par le moteur électrique sans balais. La dissipation de chaleur nécessaire de l'onduleur et des enroulements du moteur est rendue possible par le reflux du réfrigérant vers le côté aspiration.

Pour pouvoir entretenir et réparer les systèmes complexes, notamment de gestion thermique des véhicules électriques et hybrides, il est indispensable de suivre une formation continue permanente. En Allemagne, par exemple, les employés travaillant sur de tels systèmes haute tension ont besoin d'une formation supplémentaire de deux jours en tant que « spécialistes des travaux sur les véhicules haute tension (HT) à sécurité intrinsèque ».

Les connaissances alors acquises permettent d'un côté d'évaluer le danger des interventions nécessaires sur le système, et de l'autre, de réaliser la mise hors tension pour toute la durée des travaux. Sans la formation correspondante, il est interdit d'effectuer des interventions sur les systèmes haute tension ou leurs composants. La réparation ou le remplacement de composants haute tension (batterie) nécessite une qualification spéciale.

Les conducteurs et conductrices de véhicules équipés de systèmes haute tension (HT) ne sont pas exposés à des risques électriques directs, même en cas de panne. Un grand nombre de mesures prises par les constructeurs automobiles sécurisent le système HT. 

Le dépannage des véhicules équipés d'un système HT est également inoffensif tant qu'aucune intervention sur l'installation HT n'est nécessaire pour éliminer les pannes.

Cependant, il existe des dangers en cas de dépannage ou de remorquage de véhicules endommagés lors d'un accident ou qui doivent être récupérés dans la neige ou dans l'eau. Bien que la sécurité intrinsèque des véhicules pour se protéger contre les risques de choc électrique ou d'arc électrique soit très élevée, il n'y a pas de sécurité complète ou à 100 % pour chaque cas de dommage. En cas de doute, les informations respectives du constructeur du véhicule doivent être prises en compte ou demandées. 

Le dépannage des véhicules électriques et hybrides peut être effectué par toute personne spécialement qualifiée à cet effet. De ce fait, les intervenants en cas de panne reçoivent des instructions sur la conception et le fonctionnement des véhicules équipés de systèmes haute tension. Les exigences et conditions spécifiques à chaque pays pour les travaux non électrotechniques s'appliquent. (Pour l'Allemagne, la DGUV Information 200-005 « Qualification pour les travaux sur les véhicules équipés d'un système haute tension » (anciennement BGI 8686) est applicable. Veuillez tenir compte des particularités de chaque pays.)

• En cas d'accident, dans la plupart des cas, le système HT est désactivé lors du déclenchement de l'airbag. Cela s'applique à presque toutes les voitures particulières, mais pas nécessairement aux véhicules utilitaires.
• Afin de pouvoir travailler sans danger, toutes les mesures du chapitre « Règles de base pour le travail sur les véhicules électriques et hybrides » doivent être prises en compte
• Certains constructeurs recommandent ou prescrivent de débrancher la borne négative de la batterie du réseau de bord 12/24 V CC (d'autres informations sont également disponibles dans les directives de sauvetage respectives).
• Si les batteries HT ou les condensateurs HT (accumulateurs d'énergie dans les véhicules utilitaires) ont été endommagés ou arrachés lors d'un accident, cela représente un danger particulier. Le personnel d'urgence des pompiers ou du THW doit être appelé à l'aide dans ce cas. Lors de la manipulation de batteries HT endommagées, un équipement de protection individuelle approprié (protection faciale, gants de protection pour travaux sous tension) est nécessaire. 
• Les liquides de batterie renversés peuvent être corrosifs ou irritants, selon le type de batterie. Un contact doit être évité dans tous les cas. Après un accident, il n'est pas exclu que les batteries HT s'enflamment encore plus tard en raison de réactions internes. Les véhicules accidentés ne doivent donc pas être stationnés dans des espaces clos.