Du véhicule électrique … au véhicule électrique CTC.

.           Les véhicules électriques apparurent pour la première fois au milieu du 19e siècle. Plusieurs prototypes de voitures commencèrent à voir le jour, avec même une première commercialisation en 1852. Cependant l’autonomie de ces prototypes est bien trop faible et ce n’est qu’en 1859 que la voiture électrique va réellement prendre son essor avec l’invention de l'accumulateur plomb/acide, la première batterie électrique rechargeable, par le physicien et inventeur français Gaston Planté. Avec la batterie de Planté considérablement améliorée en 1981 par Camille Faure, un ingénieur chimiste français, la voiture électrique connaît un essor fulgurant, notamment dans la dernière décennie du 19ème siècle.

Voiture électrique, construite par Thomas Parker (1895)

En 1895, une voiture électrique est même sur la ligne de départ d’une course automobile entre Paris et Bordeaux, en compétition avec des moteurs à vapeur et à combustion.  En 1896, ‘américain Andrew Riker gagne une course automobile à Narragansett, dans l’Etat de Rhode Island, à bord d’une voiture qu’il a lui même fabriquée suivie de près par un autre véhicule électrique. Il crée la société Riker Electric Motor et vendra plus de 1.000 voitures électriques (6 roulent encore aujourd’hui).

En 1897, on aperçoit les premiers taxis électriques circulant dans New York. En 1899, une société Belge lance la voiture nommée Jamais Contente, une sorte d’obus en aluminium et tungstène, monté sur roues. Ses deux batteries électriques Planté, développant un peu moins de 70 chevaux, représentent environ la moitié de son poids de 1,5 tonne. Le Belge Camille Jenatzy atteint 105,88 km/h à bord de cette voiture, le record de vitesse des véhicules, une véritable prouesse pour l’époque.

La voiture électrique connaît alors son apogée notamment avec la Phaeton de Wood, vendue 2.000 dollars.

Voiture électrique Wood, modèle version Phaeton (1901).

.          .            L’électricité était une des trois solutions explorées par les pionniers de l’automobile dans les années 1890, en concurrence avec la vapeur et le moteur à gaz de pétrole. Le moteur électrique a des avantages considérables sur le moteur à explosion. Il est compact, économique, facile à construire et à entretenir, silencieux et délivre la puissance requise de façon continue. Seule la mobilité sur route lui échappe car si l’agrément de conduite procuré par le moteur électrique est sans égal, sa limite est l’alimentation électrique. Il faut la stocker à bord dans des batteries. Les premiers accumulateurs au plomb étaient lourds et ne permettaient qu’une autonomie bien inférieure à 100 km. Ce manque d’autonomie et le coût élevé des batteries vont précipiter l’abandon de la motricité électrique.

.            C’est le pétrole qui a remporté la compétition car il a un fort pouvoir énergétique dans un volume réduit, et s’est immédiatement révélé abondant, bon marché et facile à produire et distribuer. Aussi, dans les années 1920, la voiture électrique va subitement disparaître. Le lancement le 27 septembre 1908 de la Ford T, construite à la chaine et fabriquée jusqu’en 1927 et qui, moyennant 850 dollars « mit l'Amérique sur des roues », ne sera pas étranger au déclin du moteur électrique.

.           Au XXI° siècle, les idées poussées par les constructeurs de voitures électriques ne concernent plus la substitution d’un groupe motopropulseur thermique par un moteur électrique et des batteries, ce qu’ils ont appris à faire rapidement sans changer la structure du véhicule, mais visent à une redéfinition complète de l‘architecture du véhicule. Il ne s’agit plus ajouter les batteries dans un châssis traditionnel, mais d’intégrer les cellules de batteries dans la structure elle-même.

.           La fonction du châssis est essentielle dans le véhicule. Il supporte les organes moteurs, les sièges, et assure la liaison sol qui confère la stabilité et la dynamique à l’ensemble du véhicule en accueillant les roues et les suspensions. Le châssis est responsable de la rigidité de l’assemblage, de la dynamique du véhicule en transmettant la puissance au sol, de la stabilité de trajectoire et de la sécurité des occupants en cas de choc. Parce que c’est l’organe majeur du véhicule, son évolution a été très lente.

.          L’automobile des années 1880 hérite des caractéristiques des véhicules hippomobiles : châssis bois, roues en bois de grand diamètre avec cerclage métal, suspension à lame, essieu avant directionnel, … On remarquera, en passant, que l’on soit en Angleterre, en France, ou ailleurs, au début du XXe siècle, les automobiles ont le volant à droite. En effet, les autos d’alors ont le frein à main à l’extérieur de l’auto ; il faut l’actionner en tirant sur un levier, et on privilégie pour cela la main droite, en général la plus forte. Une autre raison, surtout dans les contrées où l’on roule à droite, au moment de croiser une autre auto (même si cela n’arrive pas tous les jours) il faut se serrer à droite sur des chemins très étroits et conduire à droite possède l’avantage de pouvoir regarder de plus près le bas côté, évitant ainsi les fossés !

Ce véhicule sera bien vite privé des chevaux qui en assuraient la traction, remplacés par un moteur à explosion, à vapeur ou même électrique, placé à l’avant et transmettant le mouvement aux roues avant par une chaîne ou une courroie. Cette structure va doucement évoluer dans les années qui suivent, pour prendre, à partir des années 1920, la forme que l’on connait des berlines actuelles entièrement carrossées. L’ensemble châssis-moteur est dans un premier temps produit par les constructeurs pour être livré à un carrossier qui va l’habiller, en tôles ou en bois, en fonction des besoins du client. Le châssis reste en bois dans les voitures européennes de haut de gamme produites en petites séries. C’est la Ford T qui, en introduisant la grande série, consacre l’utilisation d’une structure métallique en 1909 et d’une rationalisation de la structure et de la présentation du véhicule.

.           Dès 1922, l’on voit apparaitre en Italie, avec la très innovante Lancia Lambda équipée d’une caisse autoporteuse en acier, puis en France avec la Traction avant Citroën, l’innovation qui allait révolutionner la conception des voitures particulières, la caisse autoporteuse. C’est, en fait, un châssis en échelle que l’on fusionne avec la caisse emboutie en acier pour constituer une ensemble unique solidaire.

La Lancia Lambda a séduit des personnalités et non des moindres, comme ici Greta Garbo (App. 1927-29).

La Citroën Traction (1934-1957)

La conception de l’architecture conventionnelle n’évoluera guère pendant des décennies, autour d’un modèle majoritaire de propulsion doté d’un moteur avant longitudinal, suivi de l’embrayage et de la boîte de vitesse, la puissance étant transmise aux roues arrière par un arbre de transmission. Il y aura par rapport à cette architecture consensuelle une évolution importante, le passage de la propulsion à la traction avant mieux appropriée aux petites voitures compactes de faible puissance. Les utilitaires conservent, pour des raisons de souplesse d’aménagement, le châssis traditionnel auquel on peut associer des formes très variées de carrosserie en fonction de la mission du véhicule.

.           Les premières voitures électriques modernes, comme Nissan Leaf, Chevrolet Volt ou Renault Zoé étaient des voitures conventionnelles électrifiées. Les concepteurs ont inséré le pack batteries, composant intégré fourni par le fabricant de batteries, dans le plancher sans changer la conception d’ensemble. Ceci s’est traduit par un alourdissement du véhicule qui, à sa structure acier d’origine, se voit ajouter les coques métalliques nécessaires à l’association des ensembles de cellules. Cette augmentation du poids par les batteries augmente le besoin d’énergie qui aujourd’hui ne peut être compensé que par… l’augmentation de la capacité des batteries. Ainsi la nouvelle Tesla S pèse 2.166 kg dont 544 kg de batteries.

Une voiture électrique est plus simple qu’une voiture thermique. Le moteur est compact, il n’y a plus de ligne d’échappement, plus de traitement des gaz d’échappement, plus de batterie de démarrage, plus d’arbre de transmission. Ceci dégage de la place, mais modifie la répartition des masses soigneusement optimisées dans une voiture thermique au fil des expériences. En revanche, il faut loger des 200 à 600 kg de batteries !

.            La dernière évolution consiste donc à ne plus dissocier la batterie du véhicule en faisant l’économie du caisson du module, en supprimant tous les éléments redondants, en exploitant les batteries comme élément de structure du véhicule et en répartissant les modules de façon optimale dans le châssis. C’est la solution CTC, Cell-to-Chassis, qui supprime les modules des packs indépendants.

La prochaine étape est celle franchie par la société chinoise Leapmotor, fondée en 2015, dont le modèle Leapmotor-C01, sorti en 2022, exploite cette technologie CTC avec une batterie de 90 kWh dotée de 700 km d’autonomie (le chinois CATL annonce sa batterie Qilin de 330 Wh par kilo). C’est le premier véhicule mondial qui n’utilise pas de pack de batteries, en intégrant toutes les cellules dans le châssis et augmentant ainsi le volume attribué aux batteries de 14,5%.

La berline C01 de Leapmotor est le premier véhicule électrique produit commercialement (juin 2022) doté d'une batterie de type cellule-châssis (CTC) dont les cellules de batterie sont directement intégrées dans le châssis du véhicule, augmentant l'espace intérieur et la rigidité en torsion avec un poids du véhicule réduit de 10 %, tout en diminuant le coût total de la batterie.

Les inconvénients de cette technique CTC peuvent se situer dans la réparabilité des cellules en cas de choc ou de défaillance d’une cellule. En outre, elles rendent l’utilisation de batteries difficile en fin de vie du véhicule, alors que reconditionner les modules dans les packs courants pour les utiliser comme batteries stationnaires représentent une solution viable de réutilisation des batteries.

.            Les véhicules électriques n’ont guère de problèmes. Chers, ils sont souvent « subventionnés » ! Les volumes vendus sont désormais visibles (entre 10 et 20% des marchés nationaux, 64,5% en Norvège en 2021) et plus de 450 modèles sont disponibles sur le marché mondial. Mais les enjeux sont considérables pour les industriels car il faut équiper les 230 millions de véhicules électriques qu’il faudrait produire d’ici à 2030 selon l’Agence internationale de l’énergie.

.            Toutes les actions de l’industrie sont guidées par un souci environnemental, en limitant l’impact de la production des batteries qui contribue pour l’essentiel aux émissions de CO2 du véhicule électrique, comme par le besoin de baisser les coûts des batteries qui représentent entre 30% et 40% du coût d’un véhicule électrique.