L’électricité entre dans la course

Les chercheurs de Siemens développent, en partenariat avec le Français Segula Matra Technologies, un moteur électrique (lien vers Siemens au Mondial de l’auto) destiné à équiper une monoplace conçue pour participer à une compétition unique en son genre : le championnat Formulec. Les essais en conditions de course de ce prototype apportent une précieuse contribution au développement des voitures électriques conçues pour la route.

EF01
Avec un 0 à 100 km/h en 3 secondes et une vitesse de pointe supérieure à 250 km/h, l’EF01 est dès aujourd’hui la monoplace électrique sportive de circuit la plus rapide au monde.

Hockenheim, Monaco, Silverstone : autant de noms évocateurs pour les amateurs de sport automobile. Ces célèbres circuits n’ont rien de commun avec les locaux du centre de recherche Siemens, au sud de Munich, où l’on peut voir actuellement des boîtes métalliques posées sur une palette et quelques ordinateurs. Pourtant, c’est bien ici que se joue l’avenir du sport automobile : sur un banc d’essai du département de recherche de Siemens, Corporate Technology (CT). Les chercheurs de Siemens développent un système de propulsion électrique destiné à des voitures de course, baptisées Electric Formula EF01, qui devrait ouvrir la voie à une nouvelle compétition automobile dès 2011 dans le cadre des futures épreuves Formulec. Cette nouvelle compétition équivaut au championnat GP2 Series, l’antichambre de la Formule 1 où Nico Rosberg et Lewis Hamilton ont fait leurs premières armes.

Ce nouveau concept de championnat a été développé sous l’égide de la Fédération Internationale de l’Automobile (FIA) et de sa Commission chargées des énergies alternatives. Formulec a défini les critères de participation pour les voitures et le groupe français Segula Matra Technologies a confié à divers partenaires le développement des différentes composantes. Siemens CT est responsable du groupe motopropulseur, qui comprend non seulement le moteur électrique, mais également un onduleur qui transforme le courant continu fourni par la batterie en courant alternatif triphasé, avec son système de commande. « A la base, nous avions déjà dans nos tiroirs un système modulaire pour moteurs électriques utilisé dans diverses applications, notamment pour les trains ou les machines outils, mais aussi pour l’automobile », indique Gernot Spiegelberg, responsable de l’électromobilité chez CT. « Mais pour une voiture de course, il nous a fallu développer un moteur à la fois performant, compact et léger. »

Deux fois plus puissant

Un cahier des charges rigoureusement suivi par les chercheurs, qui ont optimisé les moteurs existants et ont conçu pour le projet EF01 un système propulseur à deux moteurs. « Pour générer le double de puissance, nous avons associé deux moteurs », explique Gernot Spiegelberg en désignant l’une des boîtes métalliques. Celle-ci abrite en effet deux moteurs d’une puissance maximale de 125 kW chacun. La batterie limite toutefois la puissance absorbée, de sorte que sur route, seuls 180 kW peuvent être utilisés, soit 245 ch. Le double moteur confère au bolide une vitesse de pointe de 250 km/h.

Karl-Josef Kuhn, qui supervise les essais au sein de l’équipe de G. Spiegelberg, précise : « La principale caractéristique reste tout de même la puissance mécanique de sortie, à savoir la puissance d’entraînement des roues après déduction des pertes. » Sur le système Electric Formula EF01, cette puissance est de 176 kW, pour un rendement de 98 %. « Une performance exceptionnelle », souligne Karl-Josef Kuhn. Les voitures électriques affichent en effet habituellement un rendement de 95 %, tandis que les moteurs à combustion classiques se contentent d’un rendement thermodynamique de 30 %, le reste étant perdu sous forme de chaleur dissipée. Si l’on calcule sur l’ensemble du cycle énergétique, à savoir de la source d’énergie aux roues (calcul « well to wheel » ou du puits à la roue), le rendement des voitures électriques faisant appel aux énergies renouvelables est de 70 %, contre moins de 20 % pour les moteurs à combustion.

100 km/h en 3 secondes

Innovation sur la chaîne cinématique : le double moteur est doté d’une boîte centrale à deux rapports. Une caractéristique inhabituelle pour des voitures électriques, leur couple élevé sur l’ensemble de la plage de régimes rendant généralement inutile le recours à une boîte de vitesse, évitant ainsi tout changement de rapport même pour atteindre la vitesse de pointe.

« En principe, la EF01 devrait pouvoir courir la plupart des courses uniquement en seconde », indique Karl-Josef Kuhn. Mais sur les circuits très sinueux, comme celui de Monaco, les pilotes doivent tellement réduire la vitesse en courbe que le rétrogradage, opéré par un simple commutateur à bascule, peut être nécessaire pour un meilleur rendement.

Le double moteur EF01 franchit ainsi le 0 à 100 km/h en 3 secondes en première, et accélère jusqu’à 250 km/h en seconde. Pour minimiser la rupture de charge sur les roues, le cahier des charges insistait sur la rapidité du passage des rapports, qui a été réduit à 150 millisecondes. L’équipe de chercheurs et Tilo Moser, responsable du projet chez Segula Matra, sont particulièrement fiers de cette performance : « Sur une boîte de vitesses sans embrayage, cela demande une commande de très haute précision : nous avons donc dû optimiser le logiciel de commande. » Aucun autre constructeur qui s’est essayé aux boîtes de vitesses pour moteurs électriques n’a atteint un tel niveau de performance.

La boîte de vitesses développée par la société Hewland permet en outre d’optimiser le double moteur dans la plage des bas régimes, permettant ainsi un gain de poids : les deux moteurs pèsent chacun 52 kg pour une puissance de 125 kW par moteur, soit une puissance volumique de 2,4 kW/kg : un record selon CT.

l’équipe Siemens-Matra
Avant de tester le moteur, l’équipe Siemens-Matra doit d’abord installer, ajuster et raccorder correctement le banc d’essai. Les essais sont ensuite soigneusement contrôlés sous l’oeil attentif d’un opérateur

Karl-Josef Kuhn se dirige vers une pièce adossée à l’atelier. « Je vais lancer le moteur », explique-t-il en mettant en marche l’ordinateur de contrôle. Un puissant vrombissement retentit. « Ce n’est que le système de refroidissement de la machine simulant la charge qui s’applique au système d’entraînement dans la voiture », souligne l’expert en électromobilité. « Le moteur électrique lui-même est très silencieux. » Les chercheurs ne savent pas encore quel sera le niveau sonore émis par la voiture mais une chose est sûre : le bruit qu’elle émettra n’aura rien de commun avec le vrombissement assourdissant des voitures de course actuelles. En outre, les odeurs d’échappement ne sont plus qu’un mauvais souvenir : les courses de voitures électriques pourront donc à nouveau avoir lieu en ville, comme sur le circuit AVUS à Berlin ou sur les Champs-Élysées à Paris, d’où elles ont été bannies notamment à cause de leur taux d’émissions. Cette perspective n’a cependant jamais été la première motivation de l’équipe : « Quand Siemens a commencé à s’intéresser à l’électromobilité, nous voulions avant tout construire un moteur de classe mondiale, repoussant les limites techniques connues. »

Actuellement, les chercheurs de CT testent la courbe de puissance du moteur et le fonctionnement du système de commande. Le groupe motopropulseur sera ensuite envoyé en France pour y être assemblé avec les éléments fournis par d’autres constructeurs et permettre à Segula Matra de réaliser d’autres essais. Une fois la phase de prototypage terminée, l’équipe de Gernot Spiegelberg sera alors amenée à construire des moteurs pour une version de course de série. Les courses du championnat Formulec accueilleront d’abord, pendant deux ans, des teams faisant rouler le même modèle de voiture, l’EF01. Si ces courses sont une réussite, il sera alors envisageable d’organiser des courses homologuées FIA, où les teams pourront engager leurs propres voitures électriques.

Des courses courtes, mais rapides

Tout ceci n’est encore qu’à l’état de projet : « Pour l’instant, le règlement des premières courses s’aligne sur les possibilités techniques des prototypes EF01 », indique Karl-Josef Kuhn. L’un des principaux paramètres qui limitent les performances est la batterie : malgré le système de récupération de l’énergie de freinage, les 35 kWh de la batterie ne permettent à la voiture de courir que pendant 20 minutes. Quant à recharger les voitures pendant la course, la technologie actuelle ne permet pas encore de le faire assez rapidement. Les chercheurs Siemens développent plusieurs solutions, mais même les systèmes modernes nécessitent au moins 15 minutes de temps de chargement. Indépendamment de leur fascination pour le sport automobile, Gernot Spiegelberg et Karl-Josef Kuhn trouvent un autre intérêt majeur dans leur projet : « Ce que nous découvrons ici, en étudiant les potentiels techniques des moteurs électriques à forte puissance volumique, devrait apporter une contribution décisive au développement de voitures de tourisme produites en série. »

Un développement qui a déjà commencé, selon Gernot Spiegelberg : « Les pays qui ne disposent pas d’une industrie automobile classique solidement implantée, comme la Chine ou Israël, se montrent très intéressés par ces nouvelles technologies. » Plus les moteurs électriques gagneront en légèreté et en compacité, plus ils laisseront de liberté aux designers, qui imaginent même de placer les moteurs dans les roues. Ce qui sortira des ateliers munichois de Siemens est donc voué à connaître non seulement l’asphalte des circuits, mais aussi celui de la rue.

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Auteur : Dagmar Braun