Une augmentation de 12,6 % de l’autonomie des véhicules électriques en conditions froides
Un progrès remarquable dans le domaine de l’ingénierie automobile a été réalisé par une équipe d’ingénieurs de SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd., qui a mis au point une méthodologie innovante permettant d’améliorer significativement l’autonomie des véhicules électriques compacts dans des conditions de basses températures. L’étude, publiée dans la revue Chinese Journal of Automotive Engineering, démontre qu’en adoptant une approche fondée sur une analyse détaillée du flux énergétique, il est possible d’identifier et d’optimiser avec précision les principaux points de perte d’efficacité, notamment dans des environnements inférieurs à zéro degré Celsius, où les véhicules électriques connaissent traditionnellement une réduction drastique de leur autonomie.
Le travail, mené par Wang Fujian, Xie Jihong, Shao Jie, Cai Jiakang et Tang Kui, s’est concentré sur un véhicule électrique de petite taille équipé d’un système de pompe à chaleur, une technologie avancée conçue pour chauffer l’habitacle de manière plus efficace que les systèmes résistifs conventionnels, qui consomment de grandes quantités d’énergie de la batterie. Les évaluations ont été menées selon le cycle de conduite CLTC-P (China Light-Duty Vehicle Test Cycle—Passenger), une norme qui reflète fidèlement les conditions de circulation urbaine et périurbaine en Chine, et dans un environnement contrôlé à -7 °C, une température représentative des hivers rigoureux dans de nombreuses régions du monde.
L’investigation a débuté par un test complet du flux énergétique du véhicule, une procédure qui permet de cartographier avec précision la manière dont l’énergie est générée, transmise, utilisée et dissipée dans tous les systèmes de la voiture. Les données initiales ont révélé un scénario d’inefficacité à plusieurs niveaux. Tout d’abord, la résistance au mouvement du véhicule, composée de la résistance aérodynamique, de la résistance au roulement et des frottements internes des composants mécaniques, était supérieure à la moyenne pour les véhicules de même catégorie. Plus précisément, la résistance interne et la résistance au roulement des pneus ont été identifiées comme des zones critiques. Bien que le coefficient de traînée aérodynamique ne puisse être modifié, l’équipe a identifié des opportunités claires d’amélioration grâce à l’implémentation de pinces de frein à traînée réduite, de pneus à faible résistance au roulement et d’une légère réduction de poids de la carrosserie et du système de batterie. Ces modifications, bien qu’apparemment mineures, ont entraîné une réduction mesurable de la consommation d’énergie pendant la conduite.
Cependant, l’analyse la plus révélatrice s’est concentrée sur le système de gestion thermique et son interaction avec la batterie. Les données ont montré que la batterie au phosphate de fer et de lithium (LFP), lorsque la température minimale des cellules est inférieure à 0 °C, perd considérablement sa capacité à accepter une charge. Le système de gestion de la batterie (BMS) bloque complètement la fonction de récupération d’énergie lors du freinage dans ces conditions. Cela signifie que, lors des premiers cycles de conduite dans un environnement froid, le véhicule ne peut pas récupérer l’énergie cinétique, perdant ainsi une source précieuse de recharge et, par conséquent, réduisant son autonomie. C’était l’une des découvertes les plus critiques de l’étude : la capacité de récupération d’énergie, l’un des principaux atouts des véhicules électriques, devient inopérante si la batterie n’est pas thermiquement prête.
Parallèlement, le moteur électrique, un moteur synchrone à aimants permanents, fonctionne également avec une efficacité réduite lorsqu’il est froid. Son efficacité augmente progressivement avec la température, atteignant un pic entre 50 et 70 °C. Pendant les premières minutes de conduite, lorsque le moteur est en dessous de cette plage de fonctionnement optimale, les pertes dues à l’effet Joule et au frottement mécanique sont plus élevées, compromettant l’efficacité du groupe motopropulseur. L’analyse a indiqué que des stratégies pour accélérer le réchauffement du moteur, telles qu’un préchauffage actif, pourraient atténuer ces pertes initiales.
Le système de pompe à chaleur, malgré sa présence, a démontré des performances inférieures aux attentes. Le coefficient de performance (COP), qui mesure l’efficacité du chauffage produit par rapport à l’énergie électrique consommée par le compresseur, s’est stabilisé autour de 1. Un COP supérieur à 1 est nécessaire pour que la pompe à chaleur soit plus efficace qu’un chauffage résistif direct, mais les valeurs typiques dans des conditions idéales varient entre 2 et 3. Un COP de 1 indique un transfert de chaleur inefficace, probablement dû à une vitesse insuffisante du compresseur au démarrage, à une capacité limitée de l’échangeur de chaleur extérieur ou à une mauvaise gestion du débit de réfrigérant.
Afin de valider leurs découvertes et de tester virtuellement différentes stratégies d’optimisation, l’équipe a développé un modèle de simulation détaillé sur la plateforme AMESim. Ce modèle intégré comprenait tous les sous-systèmes principaux : batterie, groupe motopropulseur électrique, transmission, système de gestion thermique et contrôles. Le modèle a été calibré rigoureusement avec les données expérimentales, garantissant que les simulations reflétaient fidèlement le comportement réel du véhicule. La validation du modèle a été robuste : la valeur simulée de l’état de charge (SOC) de la batterie présentait une erreur inférieure à 1 % par rapport aux données mesurées, et les températures du moteur et de la batterie étaient alignées avec les mesures, avec une différence maximale de 1 °C. Ce niveau élevé de précision a fourni une base fiable pour les simulations ultérieures.
Avec le modèle validé, l’équipe a simulé diverses stratégies d’optimisation. La première ligne d’action a été la réduction de la résistance au mouvement. En mettant en œuvre les améliorations identifiées — pinces de frein à faible traînée, pneus à faible résistance et réduction de poids — le modèle a prédit une augmentation de 2,28 % de l’autonomie. Bien que ce gain soit modeste, il représente un bénéfice réel sans compromettre la performance ou la sécurité.
La deuxième stratégie s’est concentrée sur l’optimisation du système de récupération d’énergie lors du freinage. L’analyse initiale a révélé que la stratégie de récupération d’énergie d’origine était sévèrement limitée car le couple de récupération n’était pas découplé du système de freinage hydraulique. Cela signifiait que, dans de nombreuses situations de freinage léger, le système ne pouvait pas exploiter pleinement la capacité de récupération du moteur. Pour surmonter cette limitation, l’équipe a proposé l’intégration d’un système de freinage électronique (E-boost), qui permet un contrôle indépendant entre la récupération électrique et le freinage hydraulique. Avec ce système, le moteur peut appliquer son couple de récupération maximal dans n’importe quelle situation de freinage, tant que la batterie le permet.
Cependant, comme mentionné précédemment, la batterie ne peut pas accepter de charge si sa température est inférieure à 0 °C. Pour résoudre ce goulot d’étranglement, l’équipe a mis en œuvre une stratégie de chauffage actif de la batterie pendant la phase de recharge régénérative. Cela est réalisé grâce à un film chauffant intégré dans le module de batterie, qui utilise une petite fraction de l’énergie récupérée pour élever rapidement la température du pack. Cette solution intelligente permet à la batterie d’atteindre rapidement la température minimale de fonctionnement, activant ainsi la fonction de récupération d’énergie dès les premiers instants de la conduite.
La simulation de cette stratégie combinée — freinage découplé et chauffage actif de la batterie — a produit des résultats impressionnants. L’énergie récupérée est passée de 1,27 kWh à 2,78 kWh, plus du double, ce qui s’est traduit par une augmentation de 4,38 % de l’autonomie. Ce résultat souligne l’importance cruciale de prendre en compte non seulement le matériel, mais aussi la manière dont les stratégies de contrôle logiciel peuvent considérablement améliorer les performances du système.
La troisième et la plus impactante ligne d’optimisation s’est concentrée sur le système de pompe à chaleur. L’équipe a mis en œuvre une série d’améliorations pour augmenter le COP du système. Premièrement, elle a optimisé la stratégie de contrôle du ventilateur extérieur, en le faisant fonctionner pendant des périodes plus longues et à des vitesses plus élevées, améliorant ainsi le transfert de chaleur dans l’échangeur extérieur. Deuxièmement, elle a affiné le contrôle du compresseur, en ajustant sa vitesse en fonction de la température de l’habitacle, accélérant ainsi le chauffage initial. Enfin, elle a modifié la pression du côté basse pression du système pour réduire la température du réfrigérant dans l’échangeur extérieur, augmentant sa capacité à absorber la chaleur de l’environnement.
Ces améliorations, prises individuellement, ont fait passer le COP du système de 1 à 1,9, doublant son efficacité. En conséquence, la consommation d’énergie du compresseur a été réduite de plus de 39 %, ce qui s’est traduit par une augmentation de 6,94 % de l’autonomie. Ce résultat est particulièrement significatif car il démontre que le système de chauffage, traditionnellement l’un des plus grands consommateurs d’énergie en hiver, peut devenir un allié fondamental pour prolonger l’autonomie s’il est correctement géré.
L’équipe a ensuite exploré une modification architecturale plus profonde : l’ajout d’un tube de récupération de chaleur (récupérateur) dans le circuit du réfrigérant. Ce composant utilise la chaleur résiduelle du réfrigérant après le condenseur pour préchauffer le réfrigérant avant qu’il n’entre dans le compresseur. Cet échange de chaleur interne améliore l’efficacité du cycle thermodynamique, augmentant la surchauffe à l’entrée du compresseur et la sous-refroidissement avant la vanne de détente. Bien que cette modification nécessite des changements physiques dans le système, la simulation a montré qu’elle pourrait réduire encore davantage la consommation du compresseur, augmentant l’autonomie de 7,87 %. Il s’agissait de la plus grande amélioration individuelle parmi toutes les stratégies évaluées.
Enfin, l’équipe a évalué des combinaisons de ces stratégies. La simulation a montré que la combinaison optimale — réduction de la résistance, récupération d’énergie améliorée, chauffage de la batterie et ajout du tube de récupération de chaleur — avait un potentiel théorique d’augmenter l’autonomie de 18,14 %. Toutefois, lors de la validation expérimentale, où les stratégies les plus viables du point de vue des coûts et de la faisabilité technique ont été mises en œuvre, l’augmentation mesurée a été de 12,6 %, portant l’autonomie de 113 km à 129,28 km dans des conditions de -7 °C.
Ce résultat expérimental est crucial car il confirme que les gains prédits par la simulation sont réalistes et réalisables en pratique. De plus, les données de flux énergétique post-optimisation ont montré des améliorations nettes : la proportion d’énergie récupérée est passée de 4,47 % à 9,89 %, et l’efficacité globale du groupe motopropulseur électrique a augmenté, indiquant une amélioration systémique au-delà des changements isolés.
Ce qui distingue cette étude n’est pas seulement le résultat final, mais la méthodologie sous-jacente. En utilisant l’analyse du flux énergétique comme outil central, l’équipe a pu prioriser les domaines d’amélioration sur la base de données réelles et quantifiables, évitant ainsi les suppositions ou les intuitions. Cette approche permet aux ingénieurs de développement de concentrer leurs ressources sur les modifications qui ont un impact réel, accélérant ainsi le processus d’innovation et réduisant les coûts.
En outre, l’étude met en lumière un point souvent sous-estimé : dans les climats froids, la gestion thermique n’est pas un système auxiliaire, mais un composant critique de la performance du véhicule. Alors qu’on s’est traditionnellement concentré sur l’efficacité du moteur ou l’aérodynamique, ce travail démontre qu’optimiser le système de chauffage peut avoir un impact égal, voire supérieur, sur l’autonomie. Cela a des implications profondes pour la conception future des véhicules électriques, suggérant que les systèmes thermiques doivent être pris en compte dès le début du développement, et non comme un accessoire.
Le succès de cette recherche réside également dans son approche intégrée. Au lieu de traiter chaque système de manière isolée, l’équipe a considéré comment les interactions entre la batterie, le moteur, la transmission et le système de gestion thermique affectent les performances globales. Par exemple, le chauffage de la batterie permet non seulement la récupération d’énergie, mais améliore également l’efficacité de la décharge, réduisant les pertes internes. De même, un moteur plus chaud fonctionne avec une efficacité accrue, réduisant la charge sur la batterie et, par conséquent, son besoin de chauffage.
Ce type de pensée systémique est essentiel pour surmonter les défis actuels de la mobilité électrique. À mesure que les véhicules électriques deviennent plus courants, les consommateurs exigent non seulement une plus grande autonomie, mais aussi des performances fiables dans toutes les conditions climatiques. Cette étude fournit un chemin clair vers cet objectif, démontrant que, avec les bons outils et une approche rigoureuse, il est possible de surmonter les limitations imposées par le froid.
En résumé, le travail de Wang Fujian, Xie Jihong, Shao Jie, Cai Jiakang et Tang Kui représente un progrès significatif dans l’ingénierie des véhicules électriques. Ils n’ont pas seulement réussi à obtenir une augmentation substantielle de l’autonomie par temps froid, mais ont également établi une méthodologie qui peut être appliquée à d’autres véhicules et conditions. Leurs conclusions soulignent l’importance de la gestion thermique, de la récupération intelligente d’énergie et de la conception systémique, offrant une feuille de route claire pour le développement futur de véhicules électriques plus efficaces et plus résistants.
Wang Fujian, Xie Jihong, Shao Jie, Cai Jiakang, Tang Kui, SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd., Chinese Journal of Automotive Engineering, DOI: 10.3969/j.issn.2095‒1469.2024.03.20