Motorisation

→ LE CONTEXTE

Lutte contre le réchauffement climatique, conquête de nouveaux marchés, moindre dépendance vis-à-vis des énergies fossiles : le secteur du transport, et plus particulièrement l’industrie automobile, traverse une période de profonde mutation. Le développement de l’électromobilité est un enjeu d’avenir pour les constructeurs du monde entier. Il est la clé d’une mobilité respectueuse du climat. L’évolution de la réglementation joue un rôle moteur à cet égard. D’ici à 2020, les constructeurs automobiles devront réduire à 95 grammes par kilomètre les émissions moyennes de dioxyde de carbone de leur flotte de voitures neuves.

Pour Porsche, l’avenir est électrique. En 2025, une Porsche vendue sur deux sera équipée d’un moteur électrique.

De fait, le nombre de voitures électriques en circulation augmente de manière drastique dans le monde entier. Début 2018, le parc atteignait quelque 3,2 millions d’unités, soit une hausse de 55 % en glissement annuel. Ce nombre inclut tous les véhicules alimentés par de l’électricité, y compris les véhicules hybrides rechargeables. Le marché est essentiellement porté par la Chine. Plus de 1,2 million de voitures électriques y circulent déjà. Rien qu’en 2017, 579 000 nouveaux véhicules sont venus grossir les rangs. Aux États-Unis, les effectifs ont augmenté de 195 000 unités en 2017, passant à plus de 750 000 voitures. Comparativement, l’Allemagne fait plutôt mauvaise figure, même si le parc électrique est passé de 54 490 à 92 740 voitures. Sa part dans les nouvelles immatriculations ne représentait que 1,6 %. Si le taux de croissance reste à peu près constant par rapport à 2017, le nombre de nouvelles immatriculations annuelles de voitures électriques devrait dépasser les 25 millions à l’échelle mondiale en 2025.

Pour Porsche, l’avenir est électrique. L’entreprise entend devancer les autres constructeurs automobiles allemands dans la course à l’électromobilité. En 2025, une Porsche vendue sur deux sera équipée d’un moteur électrique. Le premier modèle électrique que Porsche lancera sur le marché en 2019 sera le Taycan. Quelque 20 000 unités devraient être produites annuellement, soit les deux tiers des ventes actuelles de la 911.

→ LES DÉFIS

La réglementation en matière d’émissions d’oxyde d’azote et de CO₂ pousse les constructeurs automobiles à se convertir à l’électrification. L’urbanisation joue également un rôle important dans cette évolution. Depuis 2007, la terre compte autant de citadins que de ruraux. Dans certaines régions d’Asie et d’Afrique, l’urbanisation est galopante, donnant naissance à des mégapoles comme Tokyo, Mumbai ou Shanghai.

Ces évolutions ne sont pas sans conséquence sur l’industrie automobile. Porsche entend participer activement à ces changements en proposant des modèles sportifs au design unique, adaptés à un usage quotidien grâce à leur autonomie. Mais les défis sont de taille : comment créer une voiture électrique qui puisse faire référence en matière de performance, d’efficience, de dynamique de conduite et de confort d’utilisation au quotidien ? Comment compenser le poids des batteries ? Comment conférer à un modèle électrique toutes les caractéristiques d’une Porsche ?

→ LES SOLUTIONS PORSCHE

Les ingénieurs de Weissach ont développé, pour la première Porsche 100 % électrique, un concept de motorisation fondé sur le principe de la « performance intelligente », un principe inhérent à chaque Porsche. « Pour le Taycan, nous avons opté pour des moteurs synchrones à aimants permanents (PSM) », explique Heiko Mayer, chef de projet Motorisation. « Ils allient une forte densité de puissance à un rendement permanent élevé et une efficacité maximale. » Les deux moteurs synchrones, similaires à ceux utilisés sur la 919 Hybrid victorieuse aux 24 Heures du Mans, peuvent générer instantanément un mouvement de rotation. Pour cela, le rotor magnétisé en permanence est contraint à un mouvement rotatif par le champ magnétique du stator.

Les moteurs PSM sont les turbos des groupes motopropulseurs électriques. Ils se distinguent par leur rendement permanent très élevé et leur efficacité maximale. Sur le Taycan, un premier moteur entraîne l’essieu arrière, un deuxième les roues avant. Les deux totalisent une puissance cumulée de 440 kW (600 ch). Ils sont alimentés par des batteries capables d’assurer une autonomie de 500 km. Le Taycan peut atteindre 100 km/h en moins de 3,5 s départ arrêté, et 200 km/h en moins de 12 s. Les moteurs PSM convertissent l’énergie électrique en puissance de manière efficace et régulière, avec un rendement continu élevé, tout en générant relativement peu de chaleur. Bien sûr, une Porsche dotée d’une motorisation électrique peut également rouler sur circuit.

Les moteurs PSM sont en outre extrêmement compacts. « À performances égales, les moteurs et les accumulateurs sont plus petits et plus légers », souligne Heiko Mayer. Pour gagner encore de la place, les bobines des moteurs électriques sont dans une configuration dite en épingle à cheveux. « Les fils qui composent les bobines ne sont pas ronds, mais de forme rectangulaire », explique Naser Abu Daqqa, responsable des moteurs électriques chez Porsche. « Bénéficiant d’un montage plus serré des fils, les bobines comportent une plus grande quantité de cuivre, ce qui augmente la puissance et le couple pour un volume identique. » L’électronique de puissance du Taycan est également axée sur l’efficacité. Les onduleurs chargés de convertir la tension continue de la batterie en tension alternative pour le moteur n’utilisent pas une fréquence de découpage fixe, mais une fréquence variable en continu. « Le moteur électrique tourne ainsi toujours au meilleur point de fonctionnement », explique Heiko Mayer. Le système de refroidissement offre également des performances intelligentes. Des capteurs de température détectent les besoins de refroidissement en temps réel, tandis qu’un logiciel veille à ce que le liquide de refroidissement arrive instantanément au bon endroit. Lorsque le conducteur appuie sur la pédale d’accélérateur, le refroidissement fonctionne à plein régime et assure une puissance constante.

Batterie

→ LE CONTEXTE

Les batteries constituent le cœur des voitures à motorisation électrique. Aujourd’hui, les véhicules électriques souffrent auprès du public de la comparaison avec leurs homologues à moteur thermique : différentiel de prix à l’achat, faible autonomie et insuffisance des infrastructures de recharge. La sécurité des batteries est également un sujet de préoccupation. La technologie des batteries est complexe et pose de nouveaux défis aux constructeurs. Les exigences auxquelles doivent répondre les batteries utilisées sur les modèles électriques sont très élevées.

« L’autonomie est l'un des critères d'achat déterminants pour les voitures électriques », explique Otmar Bitsche, responsable du département E-Mobility de Porsche. Les batteries haute tension de la dernière génération lithium-ion sont une référence en la matière. Leur densité massique, qui est d’environ 270 Wh/kg, progresse chaque année de quelque 5 %, à l’instar de celle des batteries pour téléphones portables.

L’importance croissante de l’électromobilité incite les acteurs du marché à rechercher les meilleures solutions possible. Il s’agit aussi bien d’optimiser la technologie lithium-ion existante que de développer des technologies novatrices à électrolyte solide.

→ LES DÉFIS

Le développement technique des batteries s’articule autour de trois enjeux essentiels : le poids, la température et la disponibilité des matières premières. En théorie, il est possible de concevoir des batteries offrant une autonomie supérieure à 500 km, mais leur poids devient alors un handicap majeur. Il convient donc d’augmenter autant que possible la densité des ions lithium. Plus ils sont nombreux dans l’accumulateur, plus il y a d’électrons, et plus la capacité de stockage d’énergie dans un même espace augmente. Pour cela, les procédés physico-chimiques sont modifiés dans la cellule au niveau atomique et moléculaire. Une batterie ne fonctionne parfaitement que si la température est optimale. La température optimale se situe entre 20 et 40 °C pour une batterie lithium-ion, à la recharge comme à la décharge. Par ailleurs, les constructeurs automobiles doivent faire face à des défis de taille : veiller à la disponibilité, en quantité suffisante et sur la durée, des matières premières requises pour la fabrication des batteries.

→ LES SOLUTIONS PORSCHE

La vitesse plutôt que le poids, tel est le mot d’ordre de Weissach. Plutôt que d’utiliser des batteries lourdes, Porsche mise sur une recharge rapide. Pour ce faire, le courant circule à travers quelque 400 cellules interconnectées en série et en parallèle. Chaque cellule a une tension d’environ 4 V. Commandées par le système de gestion de la batterie, elles forment, pour simplifier, une batterie de 800 V. « Faire en sorte que la batterie offre des performances élevées à la charge comme à la décharge, sur toute la plage de température, a été un immense défi », explique Nora Lobenstein, responsable des systèmes de stockage d’énergie chez Porsche. Pour y parvenir, deux solutions ont été mises en œuvre : un protocole de charge intelligent et un système d’échange de chaleur efficace, capable de porter rapidement les batteries à leur température de fonctionnement idéale et de les refroidir de manière fiable en cas de forte sollicitation (appels de puissance et cycles de recharge rapides). L’objectif du système de recharge rapide de Porsche est de permettre à la voiture de récupérer 400 km d’autonomie en 15 min environ. La technologie 800 V offre un double avantage : un temps de charge plus court et des câbles plus fins, ce qui contribue à réduire le poids.

Une Porsche a une durée de vie extrêmement longue. Les batteries doivent bénéficier de la même longévité.

Mais Nora Lobenstein ne peut se contenter de ce résultat. Il faut aussi veiller à la durabilité, qui n’est pas qu’un simple argument de marketing à Weissach. C’est pourquoi les développeurs de Porsche mènent aujourd’hui des recherches intensives sur la réutilisabilité future des batteries. Une Porsche a une durée de vie extrêmement longue, supérieure à celle des véhicules des autres marques. Les batteries doivent bénéficier de la même longévité, ou au moins d’une seconde vie.

Recharge

→ LE CONTEXTE

Distances élevées entre les stations de recharge, diversité des modalités de paiement, hétérogénéité de la connectique, insuffisance des infrastructures : recharger ses batteries peut virer au parcours du combattant. L’instauration de normes internationales en vue de déployer un réseau de recharge moderne capable d’approvisionner des millions de voitures électriques reste à ce jour un vœu pieux. Fondamentalement, il existe deux types de recharge : la recharge conductive ou la recharge inductive. Dans le premier cas, le véhicule est alimenté en courant électrique à une borne via un câble doté d’un connecteur. Dans le second cas, la transmission d’énergie s’opère par induction électromagnétique, et donc sans câble.

En matière de recharge conductive, à savoir via un câble, il convient de distinguer la recharge en courant alternatif (AC) sur une prise de courant classique de 400 V avec des puissances jusqu’à 22 kW, et la recharge en courant continu (DC) avec des puissances pouvant atteindre 350 kW. La recharge AC s’utilise généralement à domicile ou sur le lieu de travail, la recharge DC, plutôt sur la route pour une recharge rapide. La recharge AC nécessite un boîtier de charge mural ou un câble de recharge adapté pour relier la prise au véhicule. Pour se raccorder à une borne de recharge AC publique, il suffit d’un câble spécial doté d’un connecteur au standard CCS.

Les besoins en énergie supplémentaires liés à l’électromobilité devraient être relativement bien maîtrisés jusqu'en 2025. Selon les estimations, la demande n’augmentera d’abord que modérément selon les régions. Ce n’est qu’en 2035 qu’elle devrait s’accroître de manière exponentielle, notamment en raison du développement en Chine.

→ LES DÉFIS

Sortir du véhicule, retirer le bouchon du réservoir, insérer le pistolet, payer et repartir quelques minutes plus tard. C’est le scénario auquel tout conducteur est habitué. Bien sûr, la technique nécessaire à la recharge des véhicules électriques est aujourd’hui disponible et le déploiement des infrastructures de recharge a débuté à l’échelle européenne. Mais il est toujours difficile de recharger rapidement et simplement sa voiture électrique sur l’autoroute ou en zone urbaine. L’amélioration des infrastructures passera par une coopération internationale, notamment sur le plan politique. Les bornes de recharge rapide déjà disponibles délivrent rarement une puissance supérieure à 50 kW. Il faut patienter généralement près d’une heure pour permettre à la batterie d’emmagasiner suffisamment d’énergie pour pouvoir parcourir 250 km supplémentaires. Comment faire le plein d’énergie plus rapidement ? Comment créer des points de recharge universels en nombre suffisant ? Et comment renforcer les réseaux électriques de faible puissance ?

→ LES SOLUTIONS PORSCHE

Il faudra des années pour déployer un vaste réseau de recharge destiné aux véhicules électriques. Porsche a donc décidé de prendre les choses en main. « Pour recharger plus rapidement une batterie, il faut plus de puissance ; c’était clair dès le départ », explique Fabian Grill, qui assiste Porsche dans le déploiement des infrastructures de recharge. Pour cela, il a fallu tout d’abord remplir une condition préalable : utiliser une tension élevée. Ainsi, le Taycan fonctionne avec une batterie de 800 V. Pour permettre aux clients d’exploiter les possibilités offertes par cette technologie dans l’espace public, Porsche œuvre au déploiement d’un réseau de recharge rapide.

L’entreprise entend proposer trois solutions de recharge : en premier lieu, la recharge à domicile, via une borne de recharge ou une plaque à induction au sol ; ensuite, la recharge en zone urbaine, éventuellement via une infrastructure existante ; et enfin, la recharge sur les grands axes routiers. Cette dernière solution sera développée par la coentreprise Ionity, en collaboration avec BMW Group, Daimler AG, Ford Motor Company et Audi, du groupe Volkswagen. Il s’agit ainsi d’ouvrir la voie au développement d’un vaste réseau de recharge rapide en Europe. L’installation et l’exploitation d’environ 400 parcs de recharge rapide d’ici à 2020 contribueront à assurer l’électromobilité sur les longs trajets et à renforcer le marché de la voiture électrique. Chaque parc de recharge rapide Ionity disposera de plusieurs bornes de recharge. Ils permettront de recharger tous les 100 à 150 km le long du réseau autoroutier européen. Les infrastructures pourront croître en même temps que le nombre de véhicules. Les clients auront ainsi accès à des milliers de points de recharge HPC (High Power Charging) d’ici à 2020, quelles que soient la marque et la puissance de leur voiture. La puissance de charge, qui peut aller jusqu’à 350 kW par point de recharge, permet aux véhicules prévus à cet effet de se recharger beaucoup plus rapidement que sur les systèmes actuels.

Porsche mise, avec sa filiale de développement Porsche Engineering, sur son propre concept modulaire de parcs de recharge ultrarapides.

Brancher et recharger rapidement : voilà l’objectif. Le paiement s’effectuera automatiquement. Porsche mise, avec sa filiale de développement Porsche Engineering, sur son propre concept modulaire de parcs de recharge ultrarapides. Qu’il s’agisse de stations isolées en zone rurale ou de stations implantées à intervalles réguliers sur les grands axes, ce système intelligent s’adaptera à toutes les configurations : une condition essentielle pour exploiter des parcs de recharge de manière efficace et rentable. Ce qui compte avant tout pour les clients Porsche, c’est de pouvoir recharger leur véhicule rapidement, même en l’absence de réseau électrique puissant. Ce sera possible grâce aux batteries de secours intermédiaires qui offriront à tout moment une capacité suffisante. Concrètement, la recharge rapide se caractérise par un temps de recharge d'environ 15 minutes pour une autonomie de 400 km à chaque point de recharge Porsche. Le dialogue intuitif avec la station de recharge s’effectuera via un écran tactile, comme sur un distributeur automatique de billets, et de manière tout aussi sécurisée. Les États-Unis et la Chine travaillent également à la mise en place d’infrastructures à grande échelle.

La solution Porsche est universelle, elle peut donc être utilisée pour tous les véhicules électriques. L’électronique de commande reconnaît le système utilisé par la voiture et réduit le courant de charge si le modèle n’est pas compatible avec la recharge rapide. Avec cette infrastructure conçue pour la sécurité d’approvisionnement et la simplicité d’utilisation, Porsche fait une fois encore œuvre de pionnier.