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Jul 05, 2023

Freiner pour plus

Les véhicules électriques à batterie imposent de nouvelles exigences au châssis, en particulier lorsqu'il

Les véhicules électriques à batterie imposent de nouvelles exigences au châssis, notamment en matière de freinage et de récupération. Les développeurs du groupe Porsche travaillent sur de nouveaux concepts de répartition de la force de freinage qui permettront une meilleure récupération sans compromettre le confort.

Les développeurs de châssis sont confrontés à l'électrification sur deux fronts : les batteries alourdissent les véhicules mais, d'un autre côté, les véhicules présentent souvent une meilleure dynamique de conduite. Ces deux facteurs nécessitent généralement un frein de roue hydraulique plus puissant. Cependant, cela réduit l'efficacité et sacrifie l'autonomie car le poids augmente et la consommation augmente.

La Porsche Taycan se passe d'un système de freinage plus grand grâce à la récupération : dès que le conducteur appuie sur la pédale de frein, les moteurs électriques passent en mode génération. Une fois qu'ils le font, ce ne sont plus les moteurs qui entraînent les roues, mais l'inverse. Cela freine le véhicule et, en même temps, génère de l'électricité qui peut être utilisée pour charger la batterie. Ce qui est crucial pour les développeurs de châssis, c'est que la récupération n'exige pas que le frein soit plus gros malgré l'augmentation de la dynamique de conduite. Le frein n'a donc aucun impact négatif sur l'autonomie.

Dans le Taycan, 90% de toutes les fois où le conducteur freine dans des situations quotidiennes, cela peut être fait en utilisant uniquement l'énergie électrique, c'est-à-dire sans l'intervention du système hydraulique. Ce dernier n'est utilisé qu'à des vitesses inférieures à 5 km/h, lorsque les moteurs électriques ne développent quasiment aucune puissance de freinage. De plus, le frein à friction intervient lorsque les moteurs électriques ne disposent pas d'une puissance de décélération suffisante, par exemple lors d'un freinage complet à partir de vitesses élevées. Le Taycan Turbo S (Consommation électrique* mixte (WLTP) 23,4 – 22,0 kWh/100 km, Émissions CO₂* mixte (WLTP) 0 g/km, Autonomie électrique* mixte (WLTP) 440 – 467 km, Autonomie électrique* en ville (WLTP) 524 – 570 km) peut générer jusqu'à 290 kW de puissance électrique lors du freinage. A ce niveau de puissance, deux secondes de décélération suffisent à générer de l'électricité pour parcourir environ 700 mètres. Dans l'ensemble, la récupération augmente l'autonomie jusqu'à 30 %.

L'un des principaux défis techniques dans le développement de châssis pour les véhicules électriques à batterie (BEV) est le mélange, c'est-à-dire lorsque le freinage régénératif et hydraulique sont combinés. "Le conducteur ne doit pas sentir la transition entre les systèmes", souligne Martin Reichenecker, Senior Manager Chassis Testing chez Porsche Engineering.

Garantir une transition en douceur impose de grandes exigences à la technologie, car les systèmes de freinage fonctionnent différemment : alors qu'un moteur électrique délivre toujours le même couple de freinage, le couple de son homologue hydraulique peut varier à chaque fois en raison d'influences environnementales telles que la température et l'humidité. Il se peut donc que la puissance de freinage hydraulique soit différente de la puissance de freinage électrique au point de transition. Le conducteur ressent cela comme une secousse.

Porsche a développé des algorithmes pour le Taycan qui empêchent que cela ne se produise. Ils surveillent en permanence le système hydraulique : lors de chaque processus de charge, le frein est calibré pour déterminer le rapport actuel entre la course de la pédale de frein et la force de la pédale de frein. Cela permet à l'algorithme d'estimer la puissance que le système hydraulique fournira au prochain freinage du véhicule, et de la déployer avec précision afin que la transition vers le mode de récupération reste fluide.

Dans les véhicules, la puissance de freinage est généralement inégalement répartie : Deux tiers de celle-ci sont fournis par l'essieu avant, un tiers par l'essieu arrière. Le même rapport s'applique au système électrique du Taycan : le moteur électrique avant fournit les deux tiers de la puissance de freinage, le moteur arrière fournit un tiers, bien que le moteur arrière soit plus gros et puisse théoriquement contribuer (et récupérer) davantage. Ce potentiel pourrait être exploité en faisant varier la répartition de la force de freinage entre les essieux. Dans ce contexte, il est important de noter que, pour des raisons de stabilité de conduite, la contribution maximale du train arrière doit être limitée selon les situations pour assurer une réserve de stabilité suffisante. "Le moteur électrique capable d'absorber le plus d'énergie fournirait alors le couple de freinage le plus élevé", explique Ulli Traut, Function Developer et Integration Engineer Regenerative Braking chez Porsche AG.

Comme pour l'interaction entre les freins hydrauliques et génératifs, les changements de force ne doivent pas compromettre le confort du conducteur ou du passager. Une solution serait d'avoir deux algorithmes fonctionnant en même temps : le premier analyse la situation de conduite et propose un « couloir » dans lequel la force de freinage est répartie de manière optimale entre les essieux avant et arrière, sur la base des données du banc d'essai. Un deuxième algorithme sélectionne une distribution adaptée à la situation de conduite actuelle à partir du « couloir » le plus efficace. Selon l'expert Traut, cette solution garantirait une décélération idéale et apporterait un « gain d'autonomie significatif ».

Jusqu'à présent, le frein de l'ingénierie automobile était un système relativement isolé. Cela a maintenant changé dans les véhicules électriques, car de nombreuses autres parties du véhicule sont impliquées dans la décélération : groupe motopropulseur, électronique de puissance et batterie. De plus, le frein a son propre affichage dans le combiné d'instruments. Tout cela nécessite un travail plus interdisciplinaire de la part des développeurs de châssis. Les ingénieurs travaillant sur le frein, par exemple, devront à l'avenir se concerter plus étroitement avec leurs collègues travaillant sur la transmission, par exemple, car la récupération concerne aussi le moteur électrique et donc la transmission (le Taycan a une transmission à deux vitesses sur l'essieu arrière).

Cela crée de nouvelles exigences sur sa capacité de charge, mais offre également de nouvelles opportunités, comme le souligne Reichenecker : "Les développeurs ont des degrés de liberté complètement nouveaux." La possibilité de rendre variable la répartition de la force de freinage entre les essieux avant et arrière en est le meilleur exemple, dit-il. Reichenecker s'attend à ce que la technologie du châssis et des composants d'entraînement continue de fusionner. "Dans les architectures futures, la plupart des fonctions logicielles seront vraisemblablement réunies dans une seule unité de contrôle."

En matière de conduite, certains constructeurs de véhicules électriques se concentrent sur ce que l'on appelle la conduite à une seule pédale. Le principe est que lorsque le conducteur lève le pied de la pédale, le véhicule commence immédiatement à récupérer de l'énergie et, dans les cas extrêmes, freine si fort que les feux stop s'allument. Cela signifie que dans la plupart des situations, la voiture peut en fait être conduite avec une seule pédale.

Porsche, d'autre part, utilise la roue libre, qui est le processus le plus naturel permettant au véhicule de continuer à rouler sans moteur. La récupération ne commence que lorsque la pédale de frein est enfoncée. "C'est une façon de conduire plus efficace, car cela permet de conserver l'énergie cinétique dans le véhicule", explique Reichenecker. La conduite à une pédale, en revanche, récupère d'abord, puis reconvertit l'énergie récupérée en propulsion. "Cela entraîne deux fois plus de pertes."

Un autre effet positif de la récupération est qu'il y a moins d'usure sur les freins hydrauliques. "Nous prévoyons que les plaquettes de frein devront être remplacées à l'avenir en raison du vieillissement plutôt que de l'usure", comme le suppose Traut. Une fonctionnalité a été développée pour le Taycan pour garder les disques de frein propres, maintenant qu'ils sont moins utilisés : le véhicule freine à intervalles réguliers en utilisant uniquement le système hydraulique, et sans les moteurs électriques, pour enlever la saleté des disques. Cela pourrait être un avantage considérable à l'avenir, car l'UE prévoit que les freins émettront moins de particules à l'avenir. La nouvelle norme d'émissions Euro 7, qui doit entrer en vigueur en 2025, sera la première fois que des limites seront fixées pour l'abrasion des freins. Cela placera alors les véhicules électriques comme le Taycan, qui ne consomme de l'électricité que neuf fois sur dix lorsqu'il freine, dans une bonne position de départ.

Texte publié pour la première fois dans le Porsche Engineering Magazine, numéro 1/2023

Texte : Constantin Gillies

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