Freinage d’un nouveau genre

C’est une certitude, la propulsion électrique fera partie du paysage automobile des dix prochaines années, et pourrait même jouer les premiers rôles si elle est adoubée par le public. Et ce pour les raisons que l’on connaît: absence d’émissions locales, conception facilitée, accélérations démoniaques ou encore excellent rendement. Mais il y a également une autre raison qui permet d’expliquer leur succès. Cette raison, c’est la propriété de réversibilité dont sont dotées les voitures électriques.

S’il consomme de l’essence ou du diesel lorsqu’il accélère, le moteur thermique est, en revanche, bien incapable de refouler du carburant dans le réservoir lorsque la voiture freine. Effectivement, durant la phase de freinage d’un véhicule thermique, l’énergie cinétique est transformée par les freins à friction en chaleur, non utilisable et donc complètement perdue. Cela est dû aux propriétés d’irréversibilité du moteur thermique. Sur les véhicules électriques, tout est différent: l’énergie cinétique du véhicule peut être transformée en énergie électrique exploitable. Les moteurs équipant les véhicules tout électriques étant effectivement réversibles, ils peuvent, selon les besoins, faire office de «moteur» (en transformant de l’énergie électrique en énergie cinétique) et de «générateur» (en transformant de l’énergie cinétique en énergie électrique). Pour cette raison, un ingénieur n’emploiera jamais le terme de moteur, mais plutôt de celui de moteur-générateur électrique, voire de machine électrique.

Concrètement, comment cela fonctionne-t-il? Dès que la voiture se trouve en phase de décélération ou de freinage, l’électronique embarquée augmente plus ou moins la tension du générateur via le réseau de bord. Cette tension varie en fonction du niveau de régénération demandé par le conducteur et/ou autorisé par la voiture. Cela permet au générateur de convertir l’énergie cinétique du véhicule en énergie électrique, qui sera alors stockée dans la batterie avant d’être restituée lors des phases d’accélération par la machine, qui fonctionnera alors en mode moteur.

D’incroyables perspectives
Bien entendu, cette technologie ouvre des perspectives incroyables, non seulement en matière d’efficience énergétique, mais aussi de qualité de freinage et donc de dynamsime: «La propulsion électrique permet de ralentir indépendamment les roues», explique Frederic Vizzini, Expert Project Manager Powertrain Advanced Development chez AW Europe. De la même manière qu’elle peut accélérer davantage l’une des quatre roues, le VE (véhicule électrique) peut théoriquement en ralentir une tout en accélérant une autre par exemple, mais il faut pour cela que la voiture dispose de deux machines électriques par essieu. «S’il n’y en a qu’une par essieu, précise Frederic Vizzini, elle ne va pas pouvoir freiner plus la roue gauche que la roue droite, à moins qu’elle ne dispose d’un système de torque vectoring mécanique, auquel cas l’effet Torsen sera passif et non actif avec, en corollaire, un contrôle plus compliqué de la motricité. Avec deux moteurs par essieu (ndlr: comme par exemple sur l’essieu arrière de l’Audi e-tron S), la répartition peut être active, et donc très précise.»

A noter que plus une machine électrique est disposée près de la roue qu’elle entraîne, meilleur est son rendement. Logique, plus courte est la chaîne cinématique, moins importantes sont les pertes par frottement dans la transmission. «L’idéal, développe Frederic Vizzini, c’est d’utiliser un moteur électrique dans les roues, mais cela soulève d’autres problèmes en matière de dynamisme (ndlr: masses non suspendues très importantes).»

Une propriété paradoxale
La puissance régénérative dépend du dimensionnement de la machine électrique mais «il faut savoir que la puissance de la machine électrique dans sa modalité motrice n’est pas forcément égale à la puissance de la machine en mode générateur, explique Frederic Vizzini. Bien souvent, la partie motrice est moins puissante que la partie génératrice.» Autrement dit, il serait théoriquement possible de récupérer davantage d’énergie que la voiture ne pourra en donner. Ce qui convient d’ailleurs bien à un usage automobile puisque, pour d’évidentes raisons de sécurité, la puissance nécessaire lors du freinage se doit d’être supérieure à la puissance en cas d’accélération.

Le second facteur limitant du freinage régénératif, c’est la batterie en elle-même. Plus elle sera puissante, plus elle sera capable d’assimiler l’énergie. «En outre, précise Frederic Vizzini, l’état de charge de la batterie importe également. Si la batterie est pleine, elle ne va pas pouvoir accepter cette énergie électrique créée par le générateur. Tout simplement parce qu’elle n’aura nulle part où l’emmagasiner.» Ainsi, pour ralentir, la voiture n’aura d’autre moyen que de s’en remettre à son freinage standard, c’est-à-dire par friction. Voilà pourquoi les montagnards roulant en VE ont tout intérêt à stopper la charge de leur voiture avant que celle-ci n’atteigne les 100% lorsqu’ils souhaitent descendre dans la vallée; non seulement cela leur permet d’alléger leur facture d’électricité mais, en plus, leurs plaquettes en profiteront aussi.

Ce besoin moins important des VE en matière de frein pourrait entraîner la disparition complète des éléments de freinage classique, comme l’explique Anton Dehn, Manager VTD-Brakes au sein du Hyundai Motor Europe Technical Center: «Il existe déjà des voitures expérimentales qui se passent de freins à friction sur leur essieu arrière.» D’ici à ce que ces concepts passent à la production, les freins à friction pourraient bien délaisser leurs étriers et leurs pistons au profit d’éléments moins féroces comme des mâchoires et des cylindres de roue, autrement dit des freins à…. tambour. Pour Frederic Vizzini, ce come-back technologique est encouragé par des performances dynamiques en perte de vitesse: «L’industrie automobile se dirige inexorablement vers des véhicules dotés d’une vitesse de pointe plus limitée.» Illustrant cette nouvelle tendance, Volvo a récemment annoncé que ses véhicules seraient bridés à 180 km/h dès 2021. Limitées à 160 km/h, les VW ID.3 et ID. 4 font encore plus forts. Voilà qui permet d’expliquer pourquoi ces deux derniers VE font appel à des freins à tambour pour ralentir leur essieu arrière. 

Des freins sans particules
Cela dit, la firme de Wollfsburg pourrait également avoir fait ce choix pour des raisons environnementales: «De par leur conception, les freins à tambour permettent plus ou moins de capturer les particules qu’ils émettent», confirmait Anton Dehn, ingénieur chez Hyundai. Si la voiture électrique se vante bien souvent de ne pas émettre de particules localement, ce n’est pas tout à fait exact dans la mesure où elle rejette des émissions par le biais de poussières de frein. Cet aspect qui n’est pas spécifique aux voitures électriques est en train de faire l’objet d’une attention toute particulière de la part des instances européennes. Anticipant la législation, les équipementiers et autres constructeurs de systèmes de freinage planchent activement sur des nouveaux designs qui tiennent compte de cela. Ainsi donc, il existe dans les tiroirs de certains équipementiers et autres constructeurs des études sur des filtres à particules capables de traiter les poussières émises par les plaquettes de freins.

Parallèlement à ce type de dispositif, l’industrie pourrait également ressusciter des technologies plus anciennes. «Les Lotus Elise de première génération avaient des freins très légers en aluminium avec du carbure de silicium qui ne fonctionnaient non pas par friction, mais bien grâce à une technologie de transfert de masse.» En clair, les plaquettes s’épaississent avec le temps au détriment du disque, qui, lui, rétrécit. L’énorme avantage de cette technologie, c’est qu’elle ne souffre d’aucune émission. «C’est une technologie qui a existé il y a une vingtaine d’années et qui pourrait bien revenir à la mode dans les années qui viennent, comme alternative plus performante aux tambours par exemple», raconte Frederic Vizzini.

«Brake by Wire»
Pour l’heure, «les véhicules électriques puissants continuent à avoir besoin de freins très performants, et ce notamment en raison de leur poids», explique Anton Dehn de chez Hyundai. Pour répondre à cette demande plus haut de gamme, le spécialiste italien du freinage qu’est Brembo planche sur de nouveaux systèmes qui ne seront plus commandés via un circuit hydraulique comme c’était le cas jusqu’alors, mais bien de manière totalement électronique: un capteur situé derrière la pédale de frein envoie un signal à un actuateur positionné juste derriere l’étrier. Dénommé «Brake by Wire», ce dispositif remplace «le frein hydraulique, qui est le type de système de freinage le plus courant aujourd’hui», explique un porte-parole de l’entreprise. Voilà une technologie qui devrait laisser un peu de répit aux bons vieux étriers à pistons.