Le fonctionnement du moteur d’une voiture électrique : voilà un sujet qui mériterait l’attention du grand public, tant il peut permettre de se convaincre de leur efficacité. Ils représentent l’avenir de nos mobilités, et sont en constante évolution. Je considère que Tesla est la marque emblématique de ces évolutions fulgurantes. Les ventes de Tesla, en Europe, ont dépassé les ventes de thermiques célèbres, telles la Clio. Et ce, malgré leur prix encore élevé. Pourquoi un tel succès, jamais vu encore sur le marché de la voiture électrique ? Peut-être est-il bon de chercher des réponses du côté des moteurs Tesla. En effet, ne retenons pas notre admiration : ils sont uniques, et particulièrement innovant. Comment fonctionnent-ils ? En quoi se distinguent-ils ? Explications.
Les différents types de moteurs électriques
Avant toute chose, et pour bien comprendre comment fonctionne une voiture électrique, je précise qu’il existe bel et bien deux types de moteurs électriques, au fonctionnement bien différent.
Les deux types de moteurs électriques : synchrone et asynchrone
Pour être précis, on distingue donc les moteurs électriques synchrones, ou à aimant permanent, et les moteurs asynchrones, ou à induction.
Comment savoir si un moteur est synchrone ou asynchrone ?
Voilà effectivement une question à laquelle il n’est en fait pas très compliqué de répondre. Hors Tesla, les véhicules électriques fonctionnent avec des moteurs synchrones à aimant permanent. C’est aussi le cas pour certains modèles de Tesla à propulsion, donc les versions non estampillées “Dual motor” (uniquement des Modèles 3).
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Pour les modèles “Dual motor”, qui possèdent les deux types de moteurs et sont une innovation propre à Tesla, le moteur synchrone conserve sa position arrière. Donc, si vous voyez une Tesla avec un moteur à l’avant, vous pouvez avoir la certitude qu’il s’agit d’un moteur asynchrone à induction (et qu’un moteur synchrone se trouve à l’arrière).
Fonctionnement du moteur asynchrone
Le moteur à induction est un petit bijou d’ingénierie, qui réussit l’exploit de se passer d’aimant permanent. Je trouve que cela offre bien des avantages. Penchons-nous sur le fonctionnement du moteur d’une voiture électrique de type asynchrone.
Principe de rotation d’un moteur à induction
Comme pour tout moteur électrique, le principe est d’aligner un rotor, destiné à tourner sur lui-même, avec un stator, pièce fixe que des bobines de fil parcourent, reparties en quatre bornes. Ces bobines sont parsemées de dents métalliques, qui se transforment en électroaimants dès lors qu’un courant électrique alimente les bobines.
Le rotor d’un moteur à induction est familièrement désigné sous le nom de “cage de hamster” : deux plaques reliées par des barres, le tout en aluminium, ou plutôt en cuivre chez Tesla. Donc, quelque chose de plus “simple” à produire qu’un aimant permanent, ce qui représente un avantage.
Pour ce qui est du principe de rotation, tout part des quatre bornes du stator. Ces dernières,
alimentées, envoient tour à tour un champ électromagnétique. Cela crée un champ magnétique tournant, produit par une tension alternative, et donc une rotation. En jouant sur la fréquence de la tension électrique, le moteur peut moduler la vitesse de rotation du champ magnétique.
Un dernier mot sur ce moteur dit “asynchrone” : son rendement est meilleur quand le couple est faible. Ce qui en fait un moteur taillé pour l’autonomie.
Principe magnétique d’un rotor induit
Le rotor, constitué d’un matériau conducteur, ne tourne pas directement du fait du champ magnétique tournant généré par les bornes du stator. En étant soumis à ce champ magnétique variable, le rotor crée des courants contradictoires, appelés “courants de Foucault”, sans lesquels il ne tournerait pas. Ces courants sont dits “induits”, d’où la désignation de moteur à induction.
Ils se propagent dans le rotor, créant un champ magnétique propre à ce dernier. Or, du fait de la forme particulière du rotor (en “cage de hamster”), ce champ magnétique pointe d’un pôle nord vers un pôle sud. En somme, le rotor s’est ainsi transformé en aimant à part entière, du fait de l’alimentation du stator. Il s’aligne alors avec le champ magnétique tournant de ce dernier, et le tour est joué.
En réalité, il ne s’aligne pas parfaitement. Il existe en effet un glissement, un décalage entre le champ magnétique et la rotation du rotor. D’où le nom de moteur “asynchrone”.
Fonctionnement du moteur à Aimant Permanent
Ce type de moteur, dit aussi “à réluctance”, n’est pas propre à Tesla, mais ils ont des avantages sur route que la marque californienne ne dédaigne pas.
Le moteur à réluctance
Si on observe que le stator, on constate que ce dernier ressemble fortement à celui du moteur dont je parle juste auparavant. Et pour cause, puisqu’il s’agit là également de générer un champ magnétique tournant, grâce à l’alimentation successives de bobines réparties de façon circulaires.
Ce qui diffère, et pour le coup assez fortement c’est la manière dont se comporte un rotor qui n’a pas grand chose à voir avec le précédent.
Ce rotor est fait d’un matériau conducteur, d’un seul tenant et couvert d’encoches et de dents métalliques. Placé au sein du champ magnétique du stator, il l’absorbe et le conduit totalement. Les encoches créant des irrégularités, des vides magnétiques que le rotor cherche à combler, il tourne afin de mettre en phase les dents avec les zones de grandes densité magnétique.
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Ce système est jugé assez lourd, affichant des rendements moyens, mais Tesla corrige avantageusement le problème en utilisant des aimants permanents bien particuliers.
Utilisation des aimants permanents
En ajoutant des aimants permanents à ses moteurs à réluctance, Tesla a obtenu des moteurs au rendement élevé, du moins quand le couple est élevé. Il s’agit donc de moteurs taillés pour la puissance plus que pour l’autonomie.
Les aimants ont plusieurs avantages : ils augmentent le rendement du moteur, son couple, et lui permettent de se comporter de manière moins saccadée, plus linéaire, la rotation du rotor accompagnant de manière plus homogène celle du stator. C’est d’ailleurs cette synchronisation qui fait que l’on parle de moteur “synchrone”.
Le système de Tesla conjuguant moteur à réluctance et aimants permanents permet de cumuler les deux couples, faisant littéralement exploser les rendements si l’on compare aux moteurs synchrones utilisés chez d’autres constructeurs.
Le fonctionnement d’un moteur électrique Tesla
Une fois qu’on a bien cerné le fonctionnement du moteur d’une voiture électrique, on peut commencer à comprendre pourquoi les moteurs Tesla sont, de loin, les meilleurs du marché. En effet, en terme de rendements, ils écrasent littéralement la concurrence. Et je vais vous expliquer pourquoi.
Le Dual Motor Tesla
La plupart des modèles de Tesla actuels portent la mention “Dual motors”, à l’exception de certaines Model 3. Cela signifie qu’ils bénéficient d’une innovation décisive de la part de Tesla : la présence de deux moteurs, un à l’avant, l’autre à l’arrière.
Surtout, et c’est un coup de génie, il faut savoir que ces deux moteurs ne sont pas les mêmes : l’un est un moteur synchrone, l’autre un moteur asynchrone. Ainsi, Tesla permet à ses voitures de bénéficier des avantages de deux types de moteur.
Rendement du Dual Motor
C’est là que l’on commence à comprendre pourquoi les moteurs Dual Motor de Tesla sont si performants : au moment où on aborde la question du rendement. Et pour bien saisir les enjeux et le fonctionnement du moteur d’une voiture électrique Tesla, je vais parler couple.
Quand une voiture électrique est à vitesse constante, sur autoroute par exemple, on ne demande pas beaucoup de couple au moteur. C’est la configuration parfaite pour que le moteur à induction, présent à l’avant des modèles “Dual Motor”, montre tout son potentiel. En clair, il consomme moins, et garantit donc une meilleure autonomie.
En revanche, son rendement s’avère assez médiocre en ville ou en cas d’accélérations fréquentes.C’est à ce moment que les qualités du moteur à réluctance entrent en scène.
Attention, je parle bien ici du moteur à réluctance de Tesla, donc ce moteur si particulier doté d’aimants permanents. Et bien, c’est précisément ce moteur exceptionnel, développant un rendement incroyable surtout dans les couples élevés, qui offre aux moteurs “Dual Motor” à la fois puissance et autonomie.
Ainsi, ces moteurs ont la capacité, non pas de tabler sur une alternance, mais bien de rechercher en temps réel la meilleure distribution de puissance en fonction de la route et du comportement du conducteur.
On parle donc d’une optimisation, pour l’heure inégalée, du potentiel des deux principales technologies motrices électriques, permettant à la fois une autonomie accrue, et un potentiel de puissance et d’accélération absolument bluffant.
Tesla et la problématique des terres rares
Il est impossible de nier que les performances, en termes de rendement, des moteurs Tesla, augmentent de manière significative les qualités écologiques des voitures de la marque californienne. Toutefois, la question des terres rares ne peut être évitée, pour au moins deux raisons.
Je rappelle que les terres rares sont des minéraux, dont l’extraction est particulièrement difficile et, surtout, concentrée dans quelques endroits de la planète. Le plus important de ces minéraux, le néodyme, est indispensable à la fabrication des aimants permanents, donc à celle du moteur à réluctance des gammes “Dual Motor”.
Et c’est là le talon d’Achille des moteurs à aimants permanents : la Chine contrôle la production de 67% du néodyme mondial. Cet état de dépendance est problématique, dans un contexte d’augmentation de la demande en véhicules électriques. Car la Chine pourrait bien compromettre cet engouement, en augmentant le prix des terres rares qu’elle contrôle.
Et ce d’autant plus qu’Elon Musk n’affiche aucune volonté de palier au surdimensionnement reproché aux Tesla, en construisant des voitures plus petites.
Le principe de la récupération d’énergie au freinage
On l’appelle aussi le freinage régénératif, et c’est un atout propre aux véhicules électriques, déjà connu sur certains trains électriques. Il s’agit de récupérer l’énergie cinétique, générée naturellement quand le véhicule roule, pour la transformer en électricité mobilisable immédiatement pour améliorer l’autonomie de la voiture. Selon les modèles et le style de conduite (c’est plus avantageux en ville), c’est jusqu’à 25% de l’autonomie effective qui provient du freinage régénératif.
Le système de refroidissement ingénieux de Tesla
De façon générale, les moteurs électriques sont dotés d’un système de refroidissement à air. Il s’agit d’une turbine montée sur l’axe du rotor, qui expulse de l’air et en permet la diffusion dans l’ensemble du moteur. Ce système est pratique et demande peu de frais à l’installation, mais ils n’est pas aussi performant que les systèmes de refroidissement liquide qui prévalent dans les moteurs thermiques.
Tesla a su adapter avec un succès bluffant ce système à ses véhicules, en élaborant un circuit de refroidissement liquide unique et, finalement, de bon sens. Moteur et variateurs sont les premiers refroidis, avant qu’un radiateur prenne le relais pour l’habitacle. Enfin, les batteries, qui demandent le maintien d’une température particulière, ferment un circuit de refroidissement particulièrement ingénieux.
Pourquoi un moteur électrique chauffe-t-il ?
Pour deux raisons, au moins. Tout d’abord, tous les moteurs électriques émettent de la chaleur. Ils possèdent donc des dispositifs de dissipation de cette chaleur, grâce à une ailette en aluminium disposée directement à proximité des sources de chaleur. Ces dispositifs sont cependant généralement liés à des systèmes de refroidissement à air. Les moteurs Tesla ont, nous l’avons vu, la particularité de se refroidir grâce à des biens de liquide de refroidissement. Le liquide est donc directement en contact avec les pièces en aluminium, ce qui augmente drastiquement l’efficacité du système.
L’autre cause de chauffe du moteur concerne les moteurs synchrones. La chaleur est générée par l’intense champ magnétique permanent, plus précisément par les courants des Foucault, mais Tesla a mis en place des contre-mesures particulièrement novatrices : partage des aimants en quatre parties, disposition de ces derniers en retrait au sein du rotor pour éviter un contact trop franc des courants de Foucault avec le stator.
Vous avez réussi à suivre jusqu’ici le fonctionnement du moteur d’une voiture électrique ? BRAVO ! 💪
N’hésitez pas à échanger dans les commentaires sur vos remarques ou questions.
En complément de cette lecture, je vous invite à découvrir une vidéo très intéressante sur l’ingénierie du moteur de la Tesla Model 3 :
