mercredi 11 février 2009

La grande importance des moteurs-roues


Illustration - Représentation d'un moteur-roue semblable à ceux développés par l'équipe de Pierre Couture à Hydro-Québec et présenté au public en 1994. L'auteur de ce blog l'a dessiné à partir d'information publique contenue dans les documents publicitaires et les brevets.

Les Québécois de plus de 30 ans se souviennent avoir vu à la télévision, en 1994 et 1995, une voiture expérimentale révolutionnaire équipée de moteurs-roues électriques très performants. Il s’agissait d’une Chrysler Intrepid modifiée par les chercheurs d’Hydro-Québec, sous la direction du docteur Pierre Couture, un physicien génial, en avance sur son temps, l’inventeur principal de ce groupe de traction inégalé à ce jour. La conférence de presse pour annoncer cette technologie révolutionnaire s'est tenue le premier décembre 1994. Pour voir le matériel promotionnel distribué ce jour-là cliquez ICI, et pour lire la transcription de l'allocution de Pierre Couture expliquant la technologie cliquez ICI et téléchargez l'épisode 2-29 du volume 2 de mon ouvrage Sur la route de l'électricité.

L’idée de base était de faire de l’Intrepid une voiture hybride branchable. En rechargeant la batterie le soir chez soi, le propriétaire de la voiture aurait pu parcourir 65 km en mode électrique à chaque jour, sans consommer de carburant. Pour les trajets plus longs que 65 km, un petit moteur-générateur thermique aurait rechargé la batterie en cours de route, conférant à la voiture une autonomie similaire à celle d’une voiture traditionnelle. C’est ce qu’on appelle aujourd’hui une voiture hybride série, dont le moteur à carburant n’est pas connecté mécaniquement aux roues. Par ailleurs, comme 80% des gens font moins de 65 km par jour avec leur voiture, en moyenne, la grande majorité de leur kilométrage se serait fait à l’électricité. C’est ce concept que GM a repris dans sa Chevy Volt, qui devrait être commercialisée en 2011. Toutefois, la Chevy Volt n’est pas équipée de moteurs-roues, mais d’un moteur électrique central, sous le capot, ce qui rend la voiture plus lourde, plus chère et laisse moins d’espace disponible.

Malheureusement, en 1995 Hydro-Québec a pris une décision totalement incompréhensible de réduire de façon importante son projet de développement du groupe de traction Couture, ce qui a conduit à la démission de son inventeur en 1995. Pierre Couture n’a plus jamais travaillé sur ce projet depuis. La compagnie TM4, une filiale d’Hydro-Québec qui devait commercialiser le groupe de traction à 4 moteurs-roues, d’où son nom d’ailleurs, a arrêté, à toute fin pratique, le développement du moteur-roue, pour faire des moteurs électriques centraux, comme tout le monde. Les lecteurs désireux d’en connaître davantage sur cette saga désolante du moteur-roue d’Hydro-Québec sont invités à consulter mon dernier livre Rouler sans pétrole.

L’auteur de ce blog est absolument convaincu que le groupe de traction Couture à 4 moteurs-roues est toujours le meilleur et que c’est le groupe de traction de l’avenir. Voici pourquoi.

Tout d’abord, en regardant l’illustration plus haut, on constate que les aimants permanents (en vert et orangé) sont collés très près de la jante de la roue, ce qui confère au moteur un grand diamètre (38 cm environ) et augmente la force de même que la puissance des moteurs. Il y a bien sûr d’autres innovations imaginées par Pierre Couture qui contribuent à donner à ses moteurs-roues une efficacité supérieure à 96%, tout en ayant une puissance de plus de 100 kW par moteur et un couple («force») de 1200 N.m pour chaque moteur, ce qui était 2,5 fois plus qu’un moteur de Corvette de l’époque! La puissance totale avec 4 moteurs-roues aurait dépassé 400 kW et le couple total 4800 N.m, de quoi propulser la Chrysler Intrepid de 0 à 100 km/h en 3 secondes, selon les calculs de Pierre Couture !!

Les performances de ces moteurs-roues ont été validées en laboratoire, mais au moment de la démission du docteur Couture, seulement 2 moteurs-roues étaient installés sur l’Intrepid et l’électronique de puissance n’était pas encore terminée, d’où l’incapacité de faire les tests complets sur route. Toutefois, l’illustration ci-dessous nous montre un des tests extérieurs où les roues motorisées tournent sur place en brûlant le caoutchouc des pneus. Une telle performance n’était pas possible avec le gros moteur V8 original de la Chrysler Intrepid.



Illustration - Images tirées de l'émission Découverte de Radio-Canada, présentant un reportage sur le moteur-roue réalisé en 1997. (photos: Archives de Radio-Canada)

Maintenant, le but d’avoir des performances aussi stupéfiantes n’était pas d’épater la galerie mais de récupérer le plus d’énergie au freinage, même en freinant brusquement. Avec quatre bons moteurs-roues et de bonnes batteries on peut récupérer près de 90% de l’énergie cinétique de la voiture lorsqu’on freine. Les moteurs agissent alors comme des freins électromagnétiques qui produisent du courant et rechargent la batterie. C’est ce qu’on appelle le freinage regénératif. Dans une voiture traditionnelle, l’énergie cinétique est perdue en chaleur dans les freins mécaniques. Dans une voiture électrique à moteur central on récupère de l’ordre de 20 à 25% maximum de l’énergie cinétique, car le moteur électrique n’est connecté qu’à deux roues, et derrière un différentiel de surcroît. Or une voiture doit freiner aux quatre roues, et dans une voiture électrique à moteur central on doit ajouter des freins mécaniques aux deux roues motorisées, car on ne peut freiner derrière un différentiel uniquement. En effet, si une des deux roues est sur la glace, l’autre se mettrait à tourner rapidement et le conducteur risquerait de perdre le contrôle de la voiture.

De plus, avec quatre moteurs-roues, il n’y a pas de différentiel ni de transmission d’ailleurs. C’est un entraînement direct, et il n’y a aucune perte d’énergie entre le moteur et les roues, comme c’est le cas dans une voiture à moteur central. Voilà une deuxième raison pour laquelle les moteurs-roues consomment moins d’énergie.

Par ailleurs, puisque la consommation d’énergie est plus faible, on peut réduire la grosseur de la batterie, du moteur-générateur et du réservoir de carburant. Sans compter que les moteurs-roues eux-mêmes sont plus légers qu’un moteur central de puissance équivalente, puisque leurs structures extérieures remplissent une double fonction, en servant également de structure de soutien aux roues. L’allègement de la voiture constitue donc une troisième cause de réduction pour la consommation d’énergie.

Maintenant, le fait qu’avec des moteurs-roues il n’y ait pas de moteur sous le capot permet d’effiler ce dernier et de fermer le dessous de la voiture en avant. Ces modifications à la carrosserie de la voiture améliorent l’aérodynamique et apportent une quatrième contribution à la réduction de consommation d’énergie.

Ces quatre facteurs combinés donnent une consommation d’énergie des voitures à moteurs-roues environ 35% inférieure à celle d’une voiture électrique à moteur central pour une conduite urbaine, et de l’ordre de 15% inférieure pour une conduite sur l’autoroute. En conduite mixte, on obtient donc une réduction de consommation de l'ordre de 25 % attribuable aux moteurs-roues. C'est une grosse différence, particulièrement pour les voitures urbaines, les camions de livraison et les autobus! Cette réduction de la consommation fait baisser non seulement les coûts d'opération mais également le coût d'achat des véhicules, puisque la batterie (très coûteuse) et le moteur thermique (pour les véhicules hybrides branchables) peuvent être réduits de taille considérablement. De plus, les véhicules à moteurs-roues ont plusieurs composantes en moins (pas de différentiel, pas de transmission, pas de cardans, pas de sytème mécanique de freinage ABS).

Par ailleurs, non seulement les voitures à moteurs-roues sont les plus économes en énergie mais elles sont en même temps les plus puissantes, ce qui, en soi, représente un changement important de paradigme. James Bond et Al Gore pourraient faire du covoiturage ensemble dans une voiture à moteurs-roues et les deux seraient très heureux!

En terminant, il serait bon de mentionner quatre autres avantages des moteurs-roues qui ne sont pas liés à la consommation d’énergie. Le fait qu’il n’y ait pas de moteur sous le capot augmente la zone d’écrasement (crunching zone) du métal lors d’un impact frontal, ce qui améliore la sécurité des passager en diminuant la brutalité du choc. Par ailleurs, l’absence de moteur sous le capot donne beaucoup plus de flexibilité au designer pour aménager les espaces. De plus, avec quatre moteurs-roues, on peut intégrer un système antirérapage par logiciel, de même qu'un système de freinage anti-bloquage ABS par logiciel également. Enfin, le conducteur dispose de quatre roues motrices, ce qui est très apprécié l'hiver dans les pays nordiques, de même que par ceux qui ont à circuler sur des routes de terre.

Dans un futur billet je parlerai des divers véhicules à moteurs-roues qui ont été présentés par divers fabricants.

11 commentaires:

  1. Je suis bien en accord avec ce qui est énoncé sauf que je suis bien perplexe sur cette phrase: "Le fait qu’il n’y ait pas de moteur sous le capot augmente la zone d’écrasement (crunching zone) du métal lors d’un impact frontal, ce qui améliore la sécurité des passager en diminuant la brutalité du choc."

    Dans le cas d'une collision frontale, il faut réussir à dissiper l'énergie cinétique accumulée. J'aurais pensé que le fait d'avoir un gros bloc moteur en avant de l'habitacle permet une zone et surtout UNE MASSE pour absorber cette énergie. Je crains bien plus une forte masse se trouvant derriêre les passagers comme dans le cas de certains véhicules électriques ou pour les camions remorques.

    Intuitivement, je préfèrerais être derrière le centre de gravité que devant. Peut-être suis-je dans l'erreur? En science faut parfois redouter ses intuitions.

    Faut regarder aussi quels sont les conséquences de ne plus avoir le centre de gravité vers l'avant pour l'efficacité du freinage. Car notre objectif premier devrait être d'avoir le freinage le plus efficace pour éviter la collision frontale.

    Sur ce point, j'aimerais vous partager une expérience: Il y a plusieurs années, lors des fêtes du temps de Noël, j'avais deux rencontres le même soir. Une pluie verglassante avait transformé l'autoroute en patinoire. Devant moi, un petit 4X4 n'arrive pas à prendre une courbe et se retrouve dans le terre-plein. La chaussée est tellement glacée que je ne peux m'arrêter de façon sécuritaire.

    Je me dirige alors vers la prochaine sortie pour demander des secours. La bretelle de sortie de l'autoroute brille comme les poils d'un phoque aurait chanté Beaux Dommages. Une automobile est immobilisée à l'arrêt et je crains de ne pas avoir un freinage assez efficace pour arrêter avant.

    N'ayant pas de véhicules derrière le mien, j'ai alors volontairement donner un coup de volant en freinant pour faire tournoyer le véhicule sur lui-même. Le véhicule a fait alors un 270 degré qui l'a immobilisé dans une distance incroyablement courte. L'énergie cinétique rectiligne avait été transformée en énergie rotationnel?

    Ce qui m'a le plus étonné, c'est que lorsque qu'on provoque ainsi un dérapage, nous n'avons aucune sensation forte contrairement à ce que vous pouvez ressentir lorsqu'on perd le contrÔle involontairement (on peut voir défiler le film de sa vie...).

    Pour revenir au gain de sécurité du fait d'enlever le moteur en avant du véhicule, je suis perplexe.

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  2. En réponse à MarioBrousse

    contrairement à ce qu'on peut penser, le moteur étant à toute fin pratique indéformable n'absorbe que très peut de l'énergie de la collision, mais transmet le choc à la cabine. Il faudrait évidemment installer des structures métalliques déformables appropriée. Par ailleurs, même si le moteur n'est plus sous le capot, on peut obtenir une bonne répartition du poids en positionnant la batterie sous l'habitacle, ce qui abaisse également le centre de gravité et améliore la tenue de route.

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  3. Je voudrais savoir Monsieur langlois si la compagnie Générale Dynamique qui a testé le véhicule pour l'armée à moteur-roue ,si les moteur-roues ont été étanche en traverssent des lacs d'eau.Et peut-être même E-tractions
    avec ses autobus.Peut-être aussi que monsieur couture vous en à parler.

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  4. En réponse à erictric

    Concernant l'étanchéité, il ne faut pas oublier que ce problème a été résolu il y a longtemps avec les joints d'étanchéité dynamiques qu'on retrouve à la sortie du différentiel ou de la transmission. Les arbres ou cardans qui en sortent ne laissent pas pénétrer l'eau même s'ils sont en rotation.

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  5. J'ai lu dans le globe And Mail l'article sur votre projet de monorail, Très intéressant, pour ma petite contribution aux idées de votre projet je suggèrerait que sur chaque pilone soit ajouter une petite turbine ( ou éolienne ) ou même un panno sollaire qui contribuerait à l'alimention électrique

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  6. voir : MICHELIN ACTIVE WHEEL, concept très proche !!

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  7. La compagnie Michelin a développé un moteur roue Active Whell
    http://fr.wikipedia.org/wiki/Active_Wheel

    Cependant, il ne faut pas rêver trop, l'auto électrique qui a vu le jour au XIX siècle, remportant un concours de vitesse (+ 100km/h) avec la Jamais contente, n'intéresse pas l'industrie qui aime bien nous voir régulièrement pour des vérifications périodiques.
    Avec l'auto électrique les visites au garage seraient pour le moins espacées et cela n'est pas très rentable pour cet industrie.

    René

    Canada

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  8. A la fin des années 70 avec un ami nous avions explorés la voiture électrique, pour nous il s'agissait de 4 moteurs roues assemblés sur un châssis avec un tiroir contenant selon, des batteries, un ensemble génératrice moteur à explosion et réservoir de carburant. Tout était "normalisé" et l'échange d'énergie s'effectuait en station service grâce à un bras robotisé. L'ensemble propulsif, moteurs roues, châssis et batterie ou groupe d'énergie étaient loué, seul la carrosserie permettant de choisir entre un cabriolet et une bétaillère appartenait à l'utilisateur. Je mesure plus de trente ans après à quel point une idée n'est pas un détonateur suffisant pour révolutionner notre monde. Francis Martin.

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  9. Monsieur Pierre Langlois ingénieur physicien
    auteur Rouler sans pétrole

    objet: Pourra-t-on transformer son véhicule hybride branchable rechargeable en source d'énergie électrique en cas de panne électrique ou en surplus d'énergie constante sur le réseau électrique d'Hydro Québec

    Bonjour Monsieur Langlois,
    J'aimerais savoir s'il serait possible de convertir ou transformer l'énergie de son véhicule hybride branchable, rechargeable avec moteur prolongateur en un groupe électrogène ou génératrice en cas de panne électrique pour sa résidence personnelle ? Deuxièmement, est-ce que notre voiture hybride branchable rechargeable ne pourra servir d'une façon permanente de régulateur de puissance en y vendant ses surplus électriques de sa voiture hybride rechargeable à Hydro Québec selon la méthode net reverse grid.

    Finalement, comment faire pour transformer son véhicule hybride branchable rechargeable en source d'énergie DC-AC ?
    Avec l'avènement sur le marché des véhicules hybrides branchables rechargeables en nombre important dans un avenir rapproché peut être pourrions faire de l'argent en vendant régulièrement nos surplus d'énergie de notre véhicule hybride branchable à Hydro Québec ?

    http://en.wikipedia.org/wiki/Vehicle-to-grid

    agréez, Monsieur Langlois, l'expression de mes meilleures salutations.

    Richard Blais
    Boucherville

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