Un an de mesures de charge et d’autonomie

26 mars 2019 09:03:21

On trouve souvent des informations contradictoires sur l’autonomie des voitures électriques. D’abord, il y les normes officielles mesurées en conditions standardisées mais pas nécessairement réalistes. Ensuite, des articles « spécialisés » donnent des chiffres sans la moindre information sur les conditions de mesure. Et enfin, les données des constructeurs indiquent la consommation de la voiture lorsqu’elle utilise la batterie et non pas ce qu’il faut pour recharger la batterie.

Or, l’autonomie est un sujet de questionnement et de critique qui mérite une information claire et transparente…

A cet effet, voici le résultat d’un an de mesure systématique de la consommation d’une voiture électrique et de la charge de sa batterie, en conditions réelles, avec une bonne nouvelle : l’autonomie WLTP est réaliste !

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  • Préliminaire : cet article va commencer par expliquer ce qui a été mesuré, les résultats et les Suivent ensuite des graphes et, pour ceux qui le souhaitent, une explication sur la méthode employée, le type de trajet, etc.

1. Les résultats

A. Les données mesurées

  • La voiture pour laquelle la mesure a été faite est une Renault ZOE de 2013 dont la batterie a été « rétrofitée » fin 2017, c-à-d que la batterie originale de 22 kWh a été substituée par une autre de 41 kWh.
  • Pendant 1 an, de mars 2018 à février 2019, les données suivantes ont été colletées :
  • Pour chaque charge à domicile : le niveau de charge de la batterie au début et à la fin (en pourcent), la durée de la charge et l’énergie consommée par la borne. 205 mesures ont ainsi été effectuées.
  • Pour chaque charge à l’extérieur : l’énergie délivrée par la borne a été notée via les données affichées à la borne, via la facture, via l’application du fournisseur, ou à défaut via ce que la voiture indiquait. La majorité de ces charges ont été faites sur des bornes 22 kW.
  • Chaque mois : le kilométrage effectué, la quantité totale d’énergie que la voiture indique avoir consommé et la quantité totale d’énergie utilisée pour recharger la batterie.
  • Il a été aussi noté lorsqu’une de ces conditions particulières s’est produite : charge à fond (jusqu’à 100 %), charge par temps très chaud ou très froid.

B. Consommation et autonomie

  • Ces mesures permettent de valider la pertinence de la norme WLTP et de quantifier les variations de consommation et d’autonomie selon la saison.
  • Sur l’année, la consommation mesurée (14,9 kWh/100 km, soit 275 km d’autonomie) est très proche la consommation officielle WLTP (14,6 kWh/100 km, soit 280 km d’autonomie).
  • L’autonomie réelle a été supérieure 7 mois sur l’année (d’avril à octobre) et inférieure 5 mois (de novembre à mars), dans une fourchette de +17 % à -15 % par rapport à WLTP.
  • En hiver, effectivement, la consommation est plus élevée. Cela se produit à la charge d’une part (perte de rendement) et à l’utilisation d’autre part. Cela s’explique par la technologie des batteries au lithium : les réactions sont ralenties par le froid. Il faut plus d’énergie à la charge et la capacité de la batterie diminue. Il en résulte donc une autonomie moindre.
  • En valeur absolue, cette perte est toutefois nettement moindre que pour les voitures thermiques, surtout pour les petits trajets. Et bien sûr, la batterie retrouve sa capacité dès que le beau temps revient, et l’autonomie mesurée dépasse même la valeur WLTP en belle saison.
  • En conclusion, on peut oublier les valeurs irréalistes de la norme NEDC : la consommation WLTP est une valeur qu’on peut atteindre en situation réelle et la variation saisonnière est raisonnable.

C. Charges

  • Lorsque la batterie est chargée à fond, jusqu’à 2 kWh d’énergie supplémentaire sont perdus, soit près de 5 % de la capacité totale. Sur une charge de 50 % à 100 %, cela représente donc 10 % de perte. Cette perte se produit lors du dernier pourcent, qui dure très longtemps. En y faisant attention, la perte totale est finalement limitée à 2 % sur l’ensemble de l’année.
  • Par temps plus froid, le rendement diminue : il faut plus d’énergie au compteur pour obtenir la même énergie utilisable par le moteur. Le rendement calculé varie ainsi entre 80 % en hiver et 90 % en été.
  • Lorsqu’elle est chaude, la batterie est refroidie par ventilation. Sur la voiture testée, cela consomme environ 500 W, c’est à dire 15 % de la puissance d’une borne 3,5 kW. Charger lorsque la batterie est très chaude diminue donc le rendement. Et sur une simple prise de courant, c’est encore pire !
  • Par temps froid, la charge est plus lente sur les bornes rapides que par temps chaud, surtout lorsque la voiture est restée à l’arrêt et que la batterie s’est refroidie. Certains modèles de voiture gèrent bien cela mais ce n’est pas le cas ici.
  • Les charges en extérieur ont représenté 10 % du total et se sont produites lors de longs voyages ponctuels. Aucune différence significative de rendement n’a été constatée lors des périodes avec de tels voyages, ce qui indique un rendement similaire à charge rapide.

Finalement, si on ne fait pas attention, on peut obtenir un résultat désastreux : charger de 50 à 100 % par temps chaud sans avoir laissé refroidir la batterie fait chuter le rendement à 65 % seulement.

Ce résultat permet sans doute de comprendre pourquoi les articles de presse délivrent des résultats parfois très divergents : les conditions de charge changent énormément le résultat.

Pourtant, en s’y prenant bien, on peut vraiment atteindre un bon rendement. Il est donc dommage que les constructeurs de voitures électriques soient muets sur ce sujet !

Conseils clés pour augmenter le rendement de la charge

  • Éviter de charger à fond : c’est long et ça provoque des pertes. Il faut juste le faire occasionnellement pour rééquilibrer les cellules de la batterie ;
  • Par temps chaud, attendre que la batterie se soit refroidie avant de charger, car le refroidissement utilise de la puissance ;
  • Par temps froid, éviter de recharger dans un lieu froid. Si cela ne peut être évité, charger tant que la batterie est chaude après son utilisation ;
  • A la maison, une borne augmente le rendement par rapport à une simple prise de courant.

2. Les résultats en graphiques

Valeurs moyennes calculées

L’autonomie dépend de la consommation de la voiture et de la capacité de la batterie (41 kWh utilisables) :

  • Consommation WLTP : 14,6 kWh/100 km, soit 280 km d’autonomie
  • Consommation moyenne sur l’année : 14,9 kWh/100 km, soit 275 km d’autonomie
  • Consommation minimale sur l’année : 12,4 kWh/100 km, soit 330 km d’autonomie (en juin), ce qui représente un gain de 17 % par rapport à WLTP.
  • Consommation maximale sur l’année : 17,1 kWh/100 km, soit 240 km d’autonomie (en janvier), ce qui représente une perte de 15 % par rapport à WLTP.

La consommation mesurée à la borne (ce qui est finalement payé) :

  • Consommation moyenne à la borne sur l’année : 17,4 kWh/100 km
  • Conversion en équivalent diesel (1 litre = 11 kWh) : 1,6 l/100 km
  • Consommation minimale à la borne sur l’année : 14,3 kWh/100 km (en juin)
  • Consommation maximale à la borne sur l’année : 20,8 kWh/100 km (en janvier)
  • Coût au kilomètre moyen (combinant photovoltaïque, compteur heures creuses, et recharges externes) : 2 € / 100 km

Autres valeurs :

  • Distance totale sur l’année : 25.145 km
  • Énergie totale mesurée par la voiture : 3.749 kWh
  • Énergie totale mesurée aux bornes (domicile et externe) : 4.370 kWh
  • Nombre de charges à domicile : 205
  • Estimation de la perte due aux charges à 100 %: 95 kWh
  • Puissance réelle utilisée par la borne domestique : 3,4 kW.
  • Mois avec le plus de charges en extérieur : novembre, séjour en Alsace (*)
  • Rendement maximum sur l’année : 93 % (en octobre)
  • Rendement minimum sur l’année : 81 % (en décembre)
  • Rendement moyen sur l’année : 86 %

Constat : entre la canicule de l’été 2018 et le froid de l’hiver, c’est en octobre que le rendement de la charge a été le meilleur. C’est malgré tout en été (de mai à septembre) que la consommation mesurée à la borne est la plus basse.

3. Annexes

Annexe 1 : La voiture et la borne utilisées

La voiture qui a été utilisée est une Renault ZOE Q90 de 2013 donc la batterie a été « rétrofitée » fin 2017, donc peu avant de procéder à ces mesures. La batterie, d’une capacité utile de 41 kWh, est donc récente. Le chargeur intégré permet la charge en AC allant d’une simple prise de courant (1 phase, 8 A, soit 1,8 kW, à réserver aux charges occasionnelles) à une borne rapide (triphasé, 63 A, soit 43 kW).

La voiture est le plus souvent chargée dans un garage situé au niveau des caves d’une maison. Il n’y a pas de chauffage mais les variations de température sont nettement moindres qu’à l’extérieur : entre 15° et 20° à mi-saison, elle descend au plus bas à 10° lors des épisodes de grand gel et au plus haut à 25° lors des périodes caniculaires en été.

La charge se fait sur une borne domestique de 3,7 kW (1 phase, 16 A). Un compteur a été placé sur la ligne électrique alimentant exclusivement la borne, de façon à mesurer précisément ce que la borne consomme (à gauche sur la photo illustrant l’article). Cela a notamment permis de mesurer que la puissance utilisée est en réalité de 3,4 kW, soit un peu moins de 15 A.

L’article suivant donne les caractéristiques techniques de la batterie : https://pushevs.com/2019/02/10/renault-Zoe-ze-40-full-battery-specs/

Annexe 2 : Caractéristique des trajets

  • Les trajets se sont fait environ pour moitié sur autoroute à allure modérée (100-110 km/h), et le reste essentiellement sur le réseau secondaire et de petites agglomérations où la circulation est assez fluide. Il y a eu très peu de trajets dans des bouchons ou en ville.
  • La plupart du temps, le mode ECO a été utilisé. Il limite l’air conditionné (pompe à chaleur), la puissance et la vitesse (mais on peut passer outre). Lorsqu’il fait froid, le mode ECO est désactivé pour garder un confort normal.

Annexe 3 : méthodologie

Marge d’erreur : Une mesure comporte toujours un marge d’erreur. C’est inévitable car les sources d’imprécisions et d’erreurs sont nombreuses : limitations de l’appareil utilisé, conditions variables de mesure, usure des appareils, arrondis des affichages, erreurs de lecture, erreurs d’encodage, erreurs de calcul… Un moyen efficace de s’affranchir de ces imprécisions, c’est de procéder à de nombreuses mesures et de calculer leur moyenne. Ainsi, une erreur d’encodage sera facilement détectée car elle dénote, et certaines imprécisions vont s’annuler statistiquement. Le choix qui a été fait ici est de procéder à des mesures mois par mois pendant 1 an, pour couvrir toutes les saisons et lisser statistiquement les erreurs de mesures.

Rendement : Le rendement de la charge est le rapport entre l’énergie chargée dans la batterie et ce qui a été consommé par la borne. Pour calcul du rendement total, la valeur moyenne a été calculée chaque mois via la consommation indiquée par la voiture et le relevé mensuel du compteur. En plus, le rendement a été estimé pour chaque charge à domicile en se basant sur le pourcentage de charge indiqué par la voiture. Il y a une grosse marge d’incertitude sur ce pourcentage car cette mesure est influencée par l’imprécision de la mesure (basée sur la tension de la batterie) et par la température de la batterie, mais le fait d’avoir mesuré plusieurs centaines de charge pendant une année complète permet de faire ressortir statistiquement certains faits qu’on ne peut découvrir sur une charge unique ou une moyenne mensuelle.

Une voiture n’est pas l’autre : Chaque voiture est bien sûr différente, mais il y quand même beaucoup de similitudes entre les différents modèles de voitures électriques, parce que la technologie est souvent la même, que ce soit pour la batterie ou le moteur. Les chiffres obtenus sont bien sûrs spécifiques au modèle utilisé mais les conclusions et les tendances peuvent donc être appliquées à de nombreux modèles.

  • Les conditions de charge: Les résultats montrent que les conditions de la charge influencent donc fortement le résultat. Hélas ! Les magazines et sites rapportant des mesures de charge n’indiquent ni le nombre de charges effectuées, ni les conditions dans lesquelles elles ont été faites : saison et température, pourcentage de début et de fin, puissance de charge. Or, seules des mesures faites dans des conditions strictement identiques permettent de comparer deux modèles de voitures, et seules des mesures répétées sur de longues périodes permettent de s’affranchir des imprécisions et de constater les facteurs qui changent les résultats. Ce n’est pas pour rien que les consommations sont mesurées en utilisant des normes qui standardisent les conditions de mesure.

(*) Certains « spécialistes » racontent sur les plateaux de télévision que la voiture électrique ne convient pas sur autoroute. Cela ne nous a pas empêché de nous rendre en Alsace par autoroute, en laissant la voiture charger pendant les visites, les repas et les nuits…

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