- - La conversion de l'industrie américaine au 12 V (P. Rapin, Revue Technique Automobile, 10.1953)
Le montage d'accessoires de plus en plus nombreux a augmenté considérablement la puissance à fournir par le circuit électrique. Les intensités traversant les câbles principaux et les divers interrupteurs sont amenés rapidement à un accroissement de leur encombrement et de leur poids. D'autre part, l'élévation de puissance des moteurs a eu pour corollaire celle des démarreurs et des batteries. Il n'y avait pas d'autre solution que d'augmenter la tension et de passer au 12 V.
- - Tension électrique 42 volts (Yves Martin, l'Argus de l'automobile, 5.12.2002)
- Avec leurs 14 volts, nos berlines actuelles sont au bord de l'apoplexie. Jugé indispensable pour faire face à la multiplication des fonctions électriques à bord, le 42 volts tarde pourtant à faire son apparition.
- Sur le papier, le 42 volts est incontournable pour l'industrie de l'automobile. Avec la prolifération des fonctions électriques et l'arrivée de solutions prometteuses, son avènement, qui en 1999 ne faisait aucun doute et était prévu pour 2002, semble tarder. Pourtant, si les grands équipementiers (Delphi, Valeo, Visteon...) sont prêts, les meilleures prévisions n'annoncent pas de production en grande série avant 2008. Même si, comme l'affirme Mike Dowsett, responsable de la recherche du secteur électronique de Visteon Europe, "Il y aura toujours un ou deux programmes de production à faible volume au cours des deux prochaines années", ces applications resteront marginales.
Pour bien comprendre l'intérêt de l'augmentation de la tension à bord des véhicules, il est indispensable de se rappeler de ses cours de physique et de la formule reliant la puissance, la tension et l'intensité P = U x I (P représente la puissance en watts, U est la tension exprimée en volts, et I est l'intensité en ampères). Cette formule sera la clé de voûte de la démonstration qui va suivre.
Sur les premières voitures des années 1900, totalement dépourvues d'équipements électriques de confort, la tension aux bornes de la batterie était de 6 volts. Elle n'était alors utilisée que pour le démarrage, l'alimentation des bougies d'allumage et l'éclairage le besoin de puissance à bord n'était alors que de 300 watts. Grâce à notre formule, on peut démontrer que l'intensité qui passait dans les fils à cette époque était de 50 ampères (300 W : 6 V = 50 A). Mais, pour pallier la demande plus importante de réaliser ces futures batteries, pour Exide, celle au plomb (technologie actuelle) est la mieux adaptée pour une production en grande série. L'équipementier a mis au point une version sans entretien de 36 V au plomb et acide spiralé. Celle-là offre un meilleur rapport du prix par kW/h par rapport aux technologies nickel et hydrures puissance qui dépassait les 600 watts à la fin des années 60 (apparition du dégivrage arrière, des essuie-glaces arrière, des phares additionnels, etc.), la tension est passée à 12 volts. L'intensité était encore de 50 A (600 W : 12 V = 50 A). La hausse de tension a donc permis de maintenir l'intensité et de conserver des fils de même diamètre. Mais, aujourd'hui, le besoin en puissance d'une voiture peut atteindre 2 000 watts. Avec la formule énoncée plus haut, on en déduit une intensité de 166 A (2000 W : 12 V = 166 A). Si cela est encore supportable pour le faisceau électrique, on arrive à une situation critique. D'autant que la puissance nécessaire à bord des véhicules qui seront produits d'ici à 2005 pourrait atteindre 5 000 W pour un modèle de haut de gamme.
Le problème est d'autant plus important au moment du démarrage que, à cet instant, la tension aux bornes de la batterie chute à 10 volts pour une puissance délivrée d'environ 3 000 watts. Cela induit une intensité de 300 A, qui passe dans le faisceau électrique. Plus l'intensité dans un fil électrique est élevée, plus sa section doit être importante, sous peine d'échauffement. En outre, les pertes électriques ne sont pas négligeables. Le passage à une tension plus élevée est donc indispensable pour abaisser l'intensité qui circule dans les fils, donc diminuer la masse du faisceau électrique de la voiture. Les pertes de courant en seront réduites d'autant. Enfin, tous les projets proposés par les équipementiers sont très gourmands en électricité.
Certains modèles vont en effet adopter des organes électriques destinés à atténuer la pollution du moteur ou à améliorer la sécurité active ou le confort des voitures : pare-brise chauffants, commandes électriques (systèmes by wire) pour les freins ou la direction, ainsi que des soupapes à commande électrique, une pompe à eau électrique, etc. De plus, ces techniques peuvent difficilement être réalisables avec une tension d'alimentation de 14 volts pour des raisons d'encombrement et de poids. Comme le souligne Denis Chapuis, responsable du développement 42 volts chez PSA Peugeot Citroën, "Certains de ces systèmes, comme la direction et le freinage électriques, sont réalisables en 14 volts pour des petites voitures, mais pas pour de plus gros modèles." Et, d'après Jean-François Sarrau, chef de projets recherche chez Exide, "l'arrivée prochaine de l'alterno-démarreur intégré devrait rapidement nécessiter l'utilisation du 42 volts". Et de préciser, "pas lorsqu'il est utilisé seulement pour la fonction stop and go, mais lorsqu'il agira comme un véritable moteur électrique d'appoint". Enfin, le passage au 42 volts pose un autre problème son prix. Mike Dowsett précise que "le facteur le plus important qui retarde la mise en oeuvre du 42 volts aujourd'hui est son coût pour le constructeur". Il ajoute que "bien que le 42 volts soit très intéressant sur le plan de la fonctionnalité, le coût du passage de 12 volts à 42 volts l'emporte sur les avantages". Donc, comme les constructeurs hésitent à investir dans cette hausse de tension, les équipementiers doivent travailler d'arrache-pied pour optimiser leurs systèmes afin qu'ils fonctionnent sous 12 volts.
Ainsi, des dispositifs tels que I'alterno-démarreur intégré ont été améliorés de manière à obtenir des niveaux de production d'énergie de 3 000 watts avec la tension actuelle. Mike Dowsett explique que "Visteon a développé un système stop and go fonctionnant sous 12 volts qui assure un démarrage aussi rapide que celui d'un véhicule dopé à 42 V (environ 350 ms)". C'est aussi le cas d'autres équipementiers, comme Delphi. Le docteur John Botti, responsable du centre technologie et innovation, précise que "l'équipementier Delphi est prêt, mais qu'il ne fera rien de sa propre initiative. C'est aux constructeurs de se décider". Ce qu'ils devraient faire assez rapidement en ces temps de lutte antipollution. Il faut néanmoins tenir compte du fait que la consommation électrique à bord d'une voiture n'est pas gratuite. Celle-là a même un effet direct sur la consommation de carburant. Par exemple, pour 100 watts utilisés, la consommation de carburant augmente de 0,17 l aux 100 km pour un modèle à essence, et de 0,15 l pour un Diesel.
Pour limiter les coûts du passage au 42 volts, la solution devrait être l'adoption de deux réseaux de tension à bord du véhicule, avec deux batteries. Le premier réseau, utilisé pour la fonction stop and go et certains gros consommateurs, serait de 42V. Pour l'éclairage (projecteurs halogènes, feux arrières à lampe, etc.) et les autres fonctions, la tension d'alimentation serait de 12 V. Quoi qu'il en soit, les filaments des ampoules ne supportent pas les tensions trop élevées trop fins et soumis à de nombreuses vibrations, leur durée de vie serait donc ridicule. A moins de modifier complètement la fabrication des ampoules, ces dernières ne seront pas soumises à une tension supérieure à 12 volts avant longtemps...
En conclusion, comme le souligne un équipementier : "Nous sommes prêts à assumer le 42 volts, et cela dans un délai très court. La balle est dans l'autre camp". Car ce sont les constructeurs qui restent maître d'oeuvre de la fabrication de leurs voitures.
Pourquoi 42 volts ?
- Si l'augmentation de la tension est indispensable, comment choisit-on sa valeur ?
la première raison est... médicale. En effet, le seuil de danger pour l'homme, lorsqu'il reçoit une décharge électrique, est de 60 volts.
Seconde raison : au-delà de 50 volts, la loi impose une double isolation du circuit électrique (aujourd'hui, la masse - le pôle négatif - se fait par la carrosserie). Aller au-dessus de 50 volts imposerait donc de créer un circuit négatif isolé de la carrosserie. Le poids des câbles serait alors trop important.
La valeur 42 s'est ensuite imposée en faisant simplement 3 x 14 volts (tension actuelle à bord d'une voiture).
Précisons que lorsque nous parlons de 42 volts, il s'agit de la tension moyenne délivrée par l'alternateur, et qui est supérieure à la tension de la batterie.
Aujourd'hui, une batterie de 12 volts est rechargée par une tension de 14 volts fournie par l'alternateur. demain, il s'agira d'un modèle de 36 volts rechargée par un alternateur fournissant une tension moyenne de 42 volts.
- Une multitude de tensions
- En fait, une voiture verra cohabiter au moins cinq tensions différentes. Par exemple, les systèmes de calculateurs électroniques fonctionnent sous une tension de 5 volts, les composants ne supportant pas de valeur plus élevée.
Ensuite, dans l'ordre croissant, on trouvera une tension de 12 volts pour l'éclairage, de 42 volts pour les organes gros consommateurs de courant, de 110 volts pour le LED et les feuilles électroluminescentes. - comme, par exemple, l'éclairage des feux arrière d'une Mercedes Classe E - et pour l'éclairage du combiné d'instruments. Il y aura enfin du 40 000 volts pour l'éclairage au xénon. Ces diverses tensions seront obtenues grâce à des transformateurs spécifiques.
- La batterie du futur
- Le passage au 42 volts (36 volts pour la batterie) ne se fera pas sans investissements de la part des fabricants de batterie. Chacun cherche la solution la mieux adaptée pour remplir sa fonction de base et supporter les multiples charges et décharges. Avec l'apparition des systèmes stop and go, la batterie devra même devenir intelligente pour remplir un nouveau rôle. Ce que nous explique Jean-François Sarrau, d'Exide : "Avec une motorisation hybride, la charge de la batterie devra être minutieusement contrôlée. Elle devra ainsi être assez déchargée pour pouvoir accepter la charge en décélération, mais assez "pleine" pour assurer sa fonction première". En outre, les cycles de charge et de décharge seront beaucoup plus importants qu'aujourd'hui.
Si plusieurs technologies permettent de réaliser ces futures batteries, pour Exide, celle au plomb (technologie actuelle) est la mieux adaptée pour une production en grande série. L'équipementier a mis au point une version sans entretien de 36 V au plomb et acide spiralé. Celle-là offre un meilleur rapport du prix par kW/h par rapport aux technologies nickel et hydrures métalliques ou lithium ion. La batterie Maxxima Deep Cycle d'Exide utilise la technologie Orbitale, dite du spiralé : chaque élément est constitué de deux fines électrodes de plomb enroulées sous forme de cylindre - comprimant fortement de la matière active des électrodes - et non d'une mise en parallèle de plaques planes.
Sa résistance aux vibrations, son bac étanche et sa fabrication en monoblocs unitaires de 6 V offrent à la fois une grande fiabilité et une bonne modularité pour adapter la batterie 6 x 6 V aux espaces disponibles dans le véhicule. En outre, l'environnement est une préoccupation permanente d'Exide. Grâce au passage à 42V, non seulement la limitation des fluides hydrauliques aura un effet bénéfique pour la nature, mais l'hybridation des véhicules, en associant une batterie de 36 V et un alterno-démarreur, diminuera la consommation de carburant de 10 % à 15 % et permettra aux constructeurs de respecter une réglementation de plus en plus stricte en matière d'émissions de dioxyde de carbone (CO2), principal responsable de l'effet de serre. Le passage à 42 V évitera, par ailleurs, la hausse du poids des câbles pour les fonctions d'hybridation véhiculant de fortes puissances et permettra, à terme, de diminuer la section des câbles alimentant les consommateurs fonctionnant actuellement en 12 V (par exemple, un moteur de lève-vitres tire 12 ampères avec une batterie 12V, contre 4 ampères avec une 36 V).
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