De nos jours, l’écrasante majorité des voitures électriques n’utilisent pas de boîte de vitesses. Il y a trois raisons principales à cela, mais avant d'entrer dans les détails, nous devons expliquer ce qu'est une boîte de vitesses et ce qu'elle fait dans une voiture ICE. De cette façon, il sera plus facile de comprendre pourquoi la boîte de vitesses n’a pas une importance fondamentale dans les voitures électriques. Nous essaierons également d'expliquer les cas où cela peut être un complément utile et quels avantages cela apporte.
Qu'est-ce qu'une boîte de vitesses et que fait-elle dans une voiture ICE ?
Les moteurs ICE, contrairement aux moteurs électriques, ne produisent pas suffisamment de couple au ralenti pour pouvoir déplacer le véhicule, il faut des régimes plus élevés pour produire plus de couple. Mais la plage de régime du moteur est limitée et par conséquent la vitesse de la voiture serait limitée et c’est pourquoi nous utilisons des boîtes de vitesses. En un mot, une boîte de vitesses combinée au rapport de transmission finale est un multiplicateur de couple. Vous avez peut-être déjà entendu parler des rapports de démultiplication et de transmission finale, mais peut-être ne saviez-vous pas ce que signifient ces chiffres.
Commençons par le rapport de démultiplication. Supposons que vous ayez sélectionné la 1ère vitesse dans votre voiture ICE. Supposons également que la 1ère vitesse ait un rapport de 3:1. Cela signifie que le couple produit par le moteur est multiplié par 3. Pour déterminer combien de fois le couple est multiplié dans les roues de la voiture, il faut également considérer le rapport de transmission final. Si, encore une fois, le rapport de transmission final est de 3:1, le couple aux roues de la voiture est neuf fois supérieur au couple moteur. Si le moteur de votre voiture produit 200 Nm de couple en 1ère vitesse avec les rapports ci-dessus, le couple aux roues est de 200 Nm x 9 = 1800 Nm.
Sans la boîte de vitesses, cette multiplication ne serait pas possible et la voiture resterait immobile même si nous appuyions sur l'accélérateur. La boîte de vitesses d'une voiture ICE doit être conçue de manière à combiner parfaitement les caractéristiques de puissance et de couple du moteur, son efficacité à différentes charges et, bien sûr, la vitesse de pointe spécifiée par les ingénieurs pour le véhicule choisi.
Ces solutions, malgré des évolutions majeures au cours des dernières décennies, restent un compromis. Les boîtes de vitesses introduisent leurs propres inefficacités dans l’ensemble du groupe motopropulseur, augmentant ainsi la consommation de carburant et les pertes d’énergie.
Qu’en est-il des voitures électriques ?
Les moteurs électriques ont trois propriétés natives qui résolvent les problèmes d’ingénierie liés au développement de boîtes de vitesses et, dans la plupart des cas, rendent la boîte de vitesses inutile. Ces propriétés sont un couple élevé à partir de zéro tr/min, la capacité des moteurs électriques à haut régime et des vitesses de pointe limitées électroniquement. Voyons ces propriétés une par une.
Un couple élevé à partir de zéro régime est assez évident. N'oubliez pas que les boîtes de vitesses sont principalement des dispositifs multiplicateurs de couple. Si vous disposez d'un couple élevé à partir de zéro tr/min, il n'est pas nécessaire de le multiplier davantage en utilisant plusieurs rapports de démultiplication.
Ce qui est d'une importance cruciale, cependant, est la capacité à haut régime. Étant donné que le moteur électrique peut tourner jusqu'à 20 000 tr/min, avec un couple élevé disponible sur toute la gamme, la vitesse de pointe est facilement atteinte avec un seul rapport. La vitesse de pointe limitée électroniquement d’une voiture électrique est la dernière raison. Cela ne se produit pas uniquement à cause de l'absence de boîte de vitesses, mais également à cause du contenu énergétique relativement faible des batteries haute tension actuelles, par rapport aux combustibles liquides.
Jetons un coup d'œil à la BMW i4 eDrive 40 pour mieux comprendre cela : elle a un couple moteur maximal de 430 Nm de 0 à 5 000 tr/min et un rapport de transmission et de transmission finale combiné de 11,115:1. Cela signifie que le couple de roue est de 4780 Nm ! On comprend désormais pourquoi les voitures électriques, en général, sont les reines des feux de circulation.
Supposons que la vitesse maximale de la voiture soit de 190 km/h. À vitesse maximale, le moteur tourne à 16 500 tr/min. À une vitesse typique sur autoroute de 130 km/h, le moteur tourne à environ 11 300 tr/min. Comme vous pouvez le voir dans cet exemple, le moteur électrique a une plage de régime suffisante pour satisfaire toutes les exigences sans avoir besoin de boîte de vitesses.
Le paradigme Porsche et Audi
La Porsche Taycan et l'Audi E-Tron GT utilisent toutes deux une boîte de vitesses à deux vitesses dans le moteur arrière. Maintenant, avant de partir : « Hé, vous venez de nous dire que les boîtes de vitesses ne sont pas nécessaires dans les voitures électriques. » Idéalement, nous aimerions avoir un rapport de démultiplication court à basse et moyenne vitesse pour une accélération plus rapide et un rapport de démultiplication plus long à des vitesses plus élevées pour réduire le régime du moteur électrique.
Pourquoi devons-nous réduire le régime du moteur à des vitesses plus élevées ? Eh bien, pour deux raisons. Tout d'abord, en réduisant le régime du moteur, nous améliorons son efficacité (grâce à moins de contre-électromotrice et de courants de Foucault) et donc l'autonomie de la voiture s'améliore également. Et la deuxième raison est la possibilité d’atteindre des vitesses de pointe plus élevées sans rotation excessive du moteur.
Le problème avec l’adoption de boîtes de vitesses à deux vitesses est la difficulté technique pour celles-ci de gérer le couple immense et instantané produit par les moteurs électriques. Néanmoins, certains constructeurs développent actuellement des boîtes de vitesses à deux rapports pour les voitures électriques.
S’ils réussissent à les fabriquer à grande échelle avec une solide fiabilité et des prix raisonnables, nous pourrions voir davantage de voitures grand public les utiliser au lieu de se limiter aux supercars comme la Porsche Taycan et l’Audi e-Tron GT. Cependant, la complexité supplémentaire et le prix élevé dépassent de loin les avantages potentiels.
