Véhicules Électriques : Une Révolution Durable dans les Transports

Contexte

Contrairement à l'automobile à essence, l'automobile électrique ne s'est pas facilement développée en un moyen de transport viable. Au début du XXe siècle, la voiture électrique a été vigoureusement poursuivie par les chercheurs ; cependant, l'automobile à essence facilement produite en masse a étouffé l'intérêt pour le projet. La recherche a décliné de 1920 à 1960 jusqu'à ce que les problèmes environnementaux de pollution et de ressources naturelles décroissantes ravivent le besoin d'un transport plus respectueux de l'environnement. Les technologies supportant une batterie fiable et le poids du nombre nécessaire de batteries ont élevé le coût de fabrication d'un véhicule électrique. Du côté positif, l'électronique automobile est devenue si sophistiquée et compacte qu'elle est idéale pour les applications de véhicules électriques.

Histoire

Le développement initial de l'automobile s'est concentré sur l'énergie électrique plutôt que l'essence. En 1837, Robert Davidson d'Écosse semble avoir construit la première voiture électrique, mais ce n'est qu'aux années 1890 que des voitures électriques ont été fabriquées et vendues en Europe et Amérique. À la fin des années 1890, les routes américaines comptaient plus d'automobiles électriques que à moteur à combustion interne.

L'un des constructeurs de voitures électriques les plus prospères aux États-Unis était William Morrison de Des Moines, Iowa, qui a commencé à commercialiser son produit en 1890. D'autres pionniers incluaient S.R. et Edwin Bailey, une équipe père-fils de carrossiers à Amesbury, Massachusetts, qui ont monté un moteur électrique et une batterie sur l'un de leurs carrosses en 1898. La combinaison était trop lourde pour le carrosse, mais les Bailey ont persisté jusqu'en 1908 quand ils ont produit un modèle pratique pouvant parcourir environ 80 km (50 mi) avant recharge.

Une grande partie de l'histoire de la voiture électrique est vraiment l'histoire du développement de la batterie. La batterie plomb-acide a été inventée par H. Tudor en 1890, et Thomas Edison a développé la batterie nickel-fer en 1910. La version d'Edison a augmenté la production de voitures et camions électriques, et l'inventeur lui-même s'intéressait à l'avenir de la voiture électrique. Il a combiné efforts avec les Bailey quand ils ont monté l'une de ses nouvelles batteries de stockage sur l'un de leurs véhicules, et l'ont promue dans une série de démonstrations publiques. La Bailey Company a continué à produire des voitures électriques jusqu'en 1915, et faisait partie de plus de 100 compagnies d'automobiles électriques qui ont prospéré au début du siècle aux États-Unis seuls. La Detroit Electric Vehicle Manufacturing Company a été la dernière à survivre, cessant ses opérations en 1941.

Les automobiles électriques étaient populaires car propres, silencieuses et faciles à conduire ; cependant, deux développements ont tant amélioré le véhicule à essence que la concurrence est devenue inexistante. En 1912, Charles Kettering a inventé le démarreur électrique éliminant le besoin de manivelle. Au même moment, Henry Ford a développé un processus de chaîne de montage pour sa Model T. Le montage était efficace et moins coûteux que la fabrication du véhicule électrique. Ainsi, le prix du véhicule à essence a suffisamment baissé pour le rendre accessible à chaque famille. Seuls les tramways électriques, véhicules de livraison à arrêts fréquents, et quelques autres véhicules électriques ont survécu après les années 1920.

Dans les années 1960, l'intérêt pour la voiture électrique a renaissé du fait de l'escalade du coût et de la diminution de l'offre de pétrole et de la préoccupation pour la pollution des moteurs à combustion. Le regain de la voiture électrique dans la dernière partie du XXe siècle a cependant été semé d'embûches techniques, questions sérieuses sur coût et performance, et intérêt public fluctuant. Les partisans plaident pour les voitures électriques pour leur faible consommation et coût d'énergie électrique, faibles besoins et coûts de maintenance, fiabilité, émissions minimales de polluants (et bénéfice conséquent pour l'environnement), facilité de conduite, et faible bruit.

Une partie de l'intérêt renouvelé a été motivée par la réglementation. La législature de Californie a imposé que 2 % des nouvelles voitures vendues dans l'État soient à zéro émission d'ici 1998. Cette exigence passe à 4 % d'ici 2003. Les constructeurs ont investi dans les voitures électriques en supposant que l'intérêt public suivrait la réglementation et soutiendrait la protection de la qualité de l'air et de l'environnement. General Motors (GM) a présenté l'Impact en janvier 1990. L'Impact avait une vitesse de pointe de 176 km/h (110 mph) et pouvait parcourir 193 km (120 mi) à 88 km/h (55 mph) avant recharge. L'Impact était expérimental, mais plus tard en 1990, GM a commencé à transformer le véhicule d'essai en modèle de production. Les batteries étaient la faiblesse de cette voiture car elles devaient être remplacées tous les deux ans, doublant le coût du véhicule comparé aux dépenses d'exploitation d'un modèle à essence. Les stations de recharge ne sont pas largement disponibles, et ces complications d'inconvénient et coût ont dissuadé les acheteurs potentiels. En 1999, Honda a annoncé l'arrêt de sa voiture électrique, introduite en mai 1997, citant le manque de soutien public pour ces mêmes raisons.

Composants

Contrairement aux batteries primaires à durée de vie chimique limitée, les batteries de type secondaire dans les véhicules électriques sont des cellules de stockage rechargeables. Les batteries sont disposées en formation en T au milieu de la voiture avec le haut du « T » à l'arrière pour une meilleure répartition du poids et sécurité. Les batteries pour voitures électriques ont été faites avec nickel-fer, nickel-zinc, zinc-chlorure, et plomb-acide.

Le poids de la voiture électrique a aussi été une difficulté récurrente de conception. Dans les voitures électriques, la batterie et le système de propulsion électrique représentent typiquement 40 % du poids de la voiture, alors que dans une voiture à combustion interne, le moteur, le système de refroidissement et autres dispositifs de propulsion ne représentent que 25 % du poids.

D'autres technologies en développement peuvent fournir des alternatives plus acceptables au public et à émissions faibles (sinon nulles). L'utilisation de la pile à combustible dans une automobile hybride est le développement le plus prometteur à l'horizon, en 1999. L'automobile hybride a deux groupes motopropulseurs, un électrique et un à combustion interne. Ils fonctionnent seulement dans les conditions les plus efficaces pour chacun, avec l'électrique pour la conduite arrêt-démarrage à basse vitesse et l'essence pour les vitesses et distances autoroutières. Le moteur électrique économise l'essence et réduit la pollution, et la partie à essence rend les arrêts de recharge peu fréquents moins contraignants.

Les piles à combustible ont une source chimique d'hydrogène qui fournit des électrons pour générer de l'électricité. Éthanol, méthanol et essence sont ces sources chimiques ; si l'essence est utilisée, les piles à combustible la consomment plus efficacement que le moteur à combustion interne. Des prototypes de piles à combustible ont été testés avec succès, et les Japonais ont commencé à fabriquer un véhicule hybride en 1998. Un autre espoir futur pour les automobiles électriques est la batterie lithium-ion qui a une densité énergétique trois fois supérieure à celle d'une batterie plomb-acide. Trois fois le stockage devrait mener à trois fois l'autonomie, mais le coût de production reste trop élevé. Les batteries lithium s'avèrent les plus prometteuses, mais les approvisionnements limités en matières premières pour toutes ces variétés de batteries entraveront la probabilité que tous les véhicules puissent être convertis à l'énergie électrique.

Matières Premières

Le châssis de la voiture électrique est appelé cadre spatial (space frame) et est en aluminium pour être à la fois solide et léger. Les roues sont aussi en aluminium au lieu d'acier, encore comme méthode d'économie de poids. Les pièces en aluminium sont coulées en fonderie avec des moules spécialement conçus uniques au fabricant. Les cadres de sièges et le cœur du volant sont en magnésium, un métal léger. La carrosserie est en plastique composite résistant aux chocs et recyclable.

Les batteries de voiture électrique consistent en boîtiers plastiques contenant anodes et cathodes métalliques et fluide appelé électrolyte. Actuellement, les batteries plomb-acide sont encore les plus utilisées, bien que d'autres combinaisons fluide/métaux soient disponibles avec les batteries nickel-hydrure métallique (NiMH) comme prochaine source d'énergie probable. Les batteries de voiture électrique retiennent leur fluide dans des tampons absorbants qui ne fuient pas si rompus ou percés lors d'un accident. Les batteries sont fabriquées par des fournisseurs spécialisés. Une voiture électrique comme la GM EV1 contient 26 batteries en unité en T.

Le moteur ou système de traction a des pièces métalliques et plastiques qui n'ont pas besoin de lubrifiants. Il inclut aussi une électronique sophistiquée qui régule le flux d'énergie depuis les batteries et contrôle sa conversion en puissance de traction. L'électronique est aussi composante clé du panneau de commande dans la console ; l'ordinateur de bord gère portes, fenêtres, surveillance pression pneus, climatisation, démarrage, lecteur CD, et autres équipements communs à toutes les voitures.

Plastiques, mousses, vinyles et tissus forment le revêtement de tableau de bord, garnitures de portes et sièges. Les pneus sont en caoutchouc, mais contrairement aux pneus standards, ceux-ci sont conçus pour gonfler à des pressions plus élevées pour que la voiture roule avec moins de résistance et économise l'énergie. Les pneus de voiture électrique contiennent aussi un scellant pour colmater automatiquement toute fuite, aussi pour la conservation d'énergie. Les pneus auto-obturants éliminent aussi le besoin de roue de secours, autre caractéristique d'économie de poids et matériau.

Le pare-brise est en verre solaire qui empêche la surchauffe intérieure au soleil et le givre en hiver. Les matériaux assurant la conservation thermique réduisent la charge énergétique que chauffage et climatisation imposent aux batteries.

Conception

Les voitures électriques d'aujourd'hui sont décrites comme « véhicules électriques de production de l'ère moderne » pour les distinguer de la série de faux départs essayant de concevoir une voiture électrique basée sur des modèles de production à essence existants et des voitures « kit » ou voitures électriques à ingénierie privée qui peuvent être amusantes et fonctionnelles mais pas dignes de production. Des années 1960 aux années 1980, l'intérêt pour la voiture électrique était profond, mais le développement lent. L'obstacle de conception de la forte demande énergétique des batteries ne pouvait être résolu en adaptant des designs. Finalement, à la fin des années 1980, les ingénieurs automobiles ont repensé le problème depuis le début et ont commencé à concevoir une voiture électrique depuis zéro avec forte considération pour l'aérodynamisme, le poids et autres efficacités énergétiques.

Le cadre spatial, cadres de sièges, roues et carrosserie ont été conçus pour haute résistance pour la sécurité et le poids le plus léger possible. Cela signifiait de nouvelles configurations offrant support pour composants et occupants avec masse minimale et usage de matériaux haute technologie incluant aluminium, magnésium, et plastiques composites avancés. Comme il n'y a pas de système d'échappement, le dessous est rendu aérodynamique avec un panneau ventral complet. Tous les détails superflus ont dû être éliminés tout en gardant les conforts que les conducteurs trouvent désirables et en ajoutant de nouvelles considérations uniques aux automobiles électriques. Un détail éliminé était la roue de secours. Le détail de l'antenne radio en tige a été supprimé ; elle cause une résistance au vent qui vole de l'énergie et utilise de l'énergie pour monter et descendre. Une considération ajoutée était le système d'avertissement piétons ; les tests de prototypes ont montré que les voitures électriques roulent si silencieusement que les piétons ne les entendent pas approcher. Feux clignotants et bips activés par le conducteur avertissent les piétons que la voiture approche et fonctionnent automatiquement en marche arrière. Les pare-brises en verre solaire étaient aussi une addition importante pour réguler la température intérieure et minimiser le besoin de climatisation et chauffage.

Parmi les nombreuses autres caractéristiques de conception et d'ingénierie à considérer pour produire des voitures électriques :

• Batteries qui stockent l'énergie et alimentent le moteur électrique sont une science à part entière dans le design de voiture électrique, et de nombreuses options sont étudiées pour trouver les batteries les plus efficaces, sûres et rentables. Un moteur électrique qui convertit l'énergie électrique de la batterie et la transmet à la transmission. Moteurs à courant continu (DC) et courant alternatif (AC) sont utilisés dans ces systèmes de traction ou propulsion pour voitures électriques, mais les moteurs AC n'utilisent pas de balais et nécessitent moins de maintenance.
• Un contrôleur qui régule le flux d'énergie de la batterie au moteur permet vitesse ajustable. Les résistances utilisées pour cela dans d'autres dispositifs électriques ne sont pas pratiques pour voitures car elles absorbent trop d'énergie elles-mêmes. À la place, des redresseurs commandés au silicium (SCR) sont utilisés. Ils permettent la pleine puissance de la batterie au moteur mais par impulsions pour que la batterie ne soit pas surmenée et le moteur pas sous-alimenté.
• Tout type de freins peut être utilisé sur automobiles électriques, mais les systèmes de freinage régénératif sont aussi préférés car ils récupèrent une partie de l'énergie perdue au freinage et la renvoient au système de batteries.
• Deux types de chargeurs sont nécessaires. Un chargeur taille réelle pour installation en garage est requis pour recharger la voiture électrique pendant la nuit, mais un chargeur portable (appelé chargeur de commodité) est équipement standard pour le coffre afin que les batteries puissent être rechargées en urgence ou loin de chez soi ou d'une station de charge. Pour la sécurité, un chargeur inductif a été créé pour voitures électriques avec une palette insérée à l'avant de la voiture. Il utilise l'énergie magnétique pour recharger les batteries et limite le risque d'électrocution.

Le Processus de Fabrication

Le processus de fabrication a requis presque autant de considérations de conception que le véhicule lui-même ; et ce design inclut artisanat et simplification ainsi que quelques approches haute technologie. Les assembleurs travaillent en équipes de postes de construction pour favoriser l'esprit d'équipe et le soutien mutuel, et les pièces sont stockées en unités modulaires appelées racks creform de tubes et joints plastiques flexibles faciles à remplir et reconfigurer pour différentes pièces. Côté haute technologie, chaque poste est équipé d'une clé dynamométrique à têtes multiples ; quand l'assembleur verrouille la tête de taille appropriée, les contrôles informatiques de la machine sélectionnent le couple correct pour les fixations correspondant à cette tête.

Atelier carrosserie

La carrosserie de la voiture électrique est façonnée à la main à six postes de travail.

• 1 Les parties du cadre spatial en aluminium sont assemblées en sections appelées sous-ensembles constituées de pièces préfabriquées soudées ou collées. La colle est un matériau d'adhésif structurel, fournissant une liaison plus durable et plus rigide que le soudage. Au fur et à mesure que les sous-ensembles pour le soubassement sont complétés, ils sont collés entre eux jusqu'à ce que tout le soubassement soit fini.
• 2 Les sous-ensembles pour la partie supérieure de la carrosserie sont aussi collés pour faire des sections plus grandes. Les sections complètes sont pareillement soudées ou collées jusqu'à ce que le cadre de carrosserie soit fini. La carrosserie est ajoutée au soubassement. L'adhésif utilisé tout au long de l'assemblage par étapes du cadre est ensuite polymérisé en convoyant la carrosserie dans un four à deux étages.
• 3 Le toit est attaché. Comme les autres parties de l'extérieur, il a déjà été peint. Le soubassement et le reste du cadre sont revêtus de scellants protecteurs, et la carrosserie finie est déplacée vers la zone d'assemblage général.

Assemblage général

L'assemblage général des composants opérationnels et de l'intérieur de la voiture électrique est complété à huit autres postes de travail.

1. Au premier poste d'assemblage, le premier ensemble de l'électronique complexe de la voiture électrique est mis en place. Cela inclut le câblage de carrosserie et le montage de la Baie d'Électronique de Puissance qui contient le Module de Contrôle de Propulsion, l'unité d'entraînement intégrée, et un petit radiateur. L'unité d'entraînement intégrée consiste en le moteur à induction à courant alternatif et un réducteur à deux étages et différentiel. Ces unités sont toutes préassemblées dans leurs propres boîtiers. Les composants de la console de commande sont aussi installés.
2. L'intérieur est équipé. Revêtement de sol, sièges, moquette, console et tableau de bord sont placés dans la voiture. Le processus est simple car le panneau d'instruments et le couvercle de console sont en uréthane renforcé de fibre de verre moulé, enduit de plus d'uréthane de qualité finition et d'une surface non réfléchissante. Ces deux pièces sont solides et n'ont pas besoin d'autres supports, équerres ou plaques de montage. L'assemblage est direct, et la performance supérieure car moins de pièces réduisent les risques de bruits parasites.
3. Au troisième poste, le système de climatisation, chauffage et circulation est inséré, et le système est rempli.
4. Le pack de batteries est ajouté. L'unité en T est mise en place en soulevant le pack lourd à l'aide d'un palan spécial dans la voiture. Le pack est attaché au châssis, de même que les essieux complets avec roues et pneus. Avec batteries et unité de propulsion en place, la voiture n'a plus à être déplacée de poste en poste sur chariots spécialement conçus. Au lieu de cela, elle est conduite vers les postes restants. Le système est mis sous tension et vérifié avant d'être conduit à l'équipe suivante.
5. Le pare-brise est installé et les autres fluides ajoutés et vérifiés. Les systèmes de portes (complets avec intérieurs vinyle, accoudoirs, électronique, vitres) sont aussi attachés, et toutes les connexions complétées et vérifiées. Les panneaux extérieurs sont ajoutés. Similaires au toit et portes, ils ont été préparés et peints avant d'être amenés au poste. La finition finale est attachée pour compléter l'extérieur supérieur.
6. Au poste final, l'alignement est vérifié et ajusté, et le panneau de soubassement est boulonné en place. Le processus se termine par le dernier contrôle qualité complet. De l'eau sous pression est pulvérisée sur le véhicule pendant huit minutes, et tous les joints sont vérifiés pour fuites. Sur une piste de test spécialisée, la voiture est vérifiée pour bruits, grincements et cliquetis sur un essai routier basé qualité. Une inspection visuelle longue et approfondie conclut l'audit qualité.

Unique au véhicule électrique est le pack de batteries. Le pack est composé de batteries secondaires rechargeables agissant comme cellules de stockage. Les batteries sont disposées en formation en T au milieu de la voiture avec le haut du « T » à l'arrière pour une meilleure répartition du poids et sécurité.

Contrôle Qualité

L'industrie a prouvé que les postes de travail sont une méthode hautement efficace pour fournir un contrôle qualité tout au long d'un processus d'assemblage. Chaque poste a deux membres d'équipe pour se soutenir et fournir des vérifications internes sur leur partie du processus. Sur une ligne d'assemblage relativement petite comme celle-ci pour la voiture électrique (75 assembleurs dans une usine General Motors), les ouvriers se connaissent tous, donc il y a aussi un plus grand esprit d'équipe qui renforce fierté et coopération. Par conséquent, la seule opération majeure de contrôle qualité conclut le processus d'assemblage et consiste en un ensemble complet de tests et inspections.

Unique à la fabrication de la voiture électrique, le fonctionnement de la voiture a été testé pendant les étapes finales d'assemblage. La voiture n'a pas de système d'échappement et n'émet ni gaz ni polluants, donc après l'installation du pack de batteries et de l'unité de propulsion, la voiture peut être conduite à l'intérieur de l'usine. La preuve que le produit fonctionne plusieurs étapes avant d'être fini est un contrôle qualité rassurant.

Sous-produits/Déchets

Il n'y a pas de sous-produits de la fabrication de voitures électriques. Les déchets dans l'usine d'assemblage sont aussi minimaux à inexistants car pièces, composants et sous-ensembles étaient tous faits ailleurs. Les chutes et autres déchets sont récupérés par ces fournisseurs, et la plupart sont recyclables.

Perspectives d'Avenir

Les voitures électriques sont cruciales pour l'avenir de l'industrie automobile et de l'environnement ; cependant, la forme que la voiture électrique prendra ultimement et son acceptation par le public sont encore incertaines. La consommation de réserves de pétrole décroissantes, les préoccupations sur la pollution de l'air et du bruit, et la pollution causée (et l'énergie consommée) par les voitures abandonnées et les complications du recyclage des voitures à essence sont toutes des forces motrices qui semblent pousser vers le succès de la voiture électrique.