« Les voitures de Formule E sont des jouets”; « C’est une seule marque”; « Le niveau du championnat est bas”. Il arrive souvent de tomber sur des accusations similaires d’une tranche du public dirigée vers la Formule E. Les monoplaces à batterie ne sont pas encore comparables aux performances monstrueuses de la Formule 1, alors que le châssis et l’aérodynamisme sont les mêmes pour tous les équipes. Cependant, la similitude esthétique entre les voitures ne doit pas induire en erreur, car d’importantes différences technologiques se cachent sous le capot, qui témoignent de véritables philosophies de conception. Pour raconter ce monde nul n’est plus apte que Thomas Chevaucher. L’ingénieur dirige le programme de Formule E de Stellantis Motorsport et était responsable des groupes motopropulseurs qui ont valu à DS trois titres de pilotes dans le passé.
Le moteur
Le règlement technique de la Formule E prévoit un périmètre de compétence des constructeurs, au sein duquel les ingénieurs sont libres d’intervenir. Il s’agit de la structure derrière le châssis, qui doit nécessairement être conçue par les ingénieurs en fonction des dimensions du groupe motopropulseur conçu par les constructeurs eux-mêmes. La structure arrière servant également de support aux triangles, les équipes sont libres de concevoir son groupe de suspension. Il va sans dire que le groupe motopropulseur, en plus de déterminer l’efficacité et la consommation d’énergie en course, influe donc sur la dynamique du véhicule à la fois par la disposition des suspensions et sur la base de la répartition des masses, en fonction de la disposition des le moteur, l’onduleur et le bord.
Rentrant dans les mérites du moteur électrique, les équipes de Formule E standardisent autour d’une solution dominante « Tout le monde sur le réseau a des moteurs à aimants permanents en raison de leur rendement élevé », spiega Chevaucher. « Dans la production en série, il y a un fossé entre ces moteurs et ceux à excitation externe en raison de leurs coûts inférieurs, mais en termes d’efficacité, il n’y a pas de comparaison. En Formule E, nous utilisons tous cette technologie, mais même si nous corrigeons cet aspect, ils sont toujours là plusieurs architectures possiblesdu fait que nous réalisons des composants très compacts ». Une première division concerne la philosophie du moteur. En fait, Chevaucher explique comment on peut choisir entre un moteur à flux axialgénéralement à couple élevé et bas régime, ou un à flux radial, qui offre à la place des vitesses élevées et un faible couple. Tout cela se répercute ensuite sur le choix du rapport de transmission, car un moteur avec un couple plus faible aura besoin d’un rapport plus court et inversement.
« Il existe plusieurs options pour la diffusion”, continua Chevaucher, « Même si ce n’est pas une vraie boîte de vitesses, car tous les groupes motopropulseurs en Formule E sont à une seule vitesse. Les architectures possibles sont donc nombreuses. Le rapport de vitesse est le même tout au long de la saison. Cependant, évidemment, en fonction des pistes et des différentes caractéristiques de la voiture, chacun prend ses propres décisions. Je dirais que le rapport maximum dépend principalement du couple du moteur. C’est un paramètre clé du développement et pour cela je ne peux pas trop en dévoiler. Cela a un impact direct sur l’efficacité de l’ensemble du package ». Le choix du rapport de vitesse est crucial, car il influe sur le comportement de la voiture en termes de reprises et de vitesse de pointe, mais également sur le type de contraintes que la transmission devra supporter, déterminant le poids et les dimensions nécessaires. Non seulement cela, mais, avec la même puissance, selon la philosophie, le moteur peut fonctionner à différentes vitesses de rotation. Bien que des vitesses de rotation plus élevées signifient une plus grande friction, il est également nécessaire de considérer dans quels points de la carte couple-vitesse vous souhaitez que le moteur fonctionne, car son efficacité varie également en fonction de ces paramètres.
Question de matériaux
Une fois l’architecture de base du moteur choisie, les techniques de construction et les matériaux utilisés ont un impact sur le poids et l’efficacité. Par exemple, plus les automobilistes sont capables de compacter les bobines de cuivre, plus le moteur sera économe en énergie, mais il sera aussi plus difficile à refroidir. « À cause de ce le championnat est très intéressant, car nous comprenons quels sont les besoins spécifiques d’une voiture électrique. Sur cette base, nous ajustons l’architecture et essayons différentes solutions pour optimiser au maximum le package de voitures pour la piste ».
Un autre composant central du groupe motopropulseur est l’onduleur, responsable de la conversion du courant continu en courant alternatif entre la batterie et le moteur. Selon Chevaucher, il est encore trop tôt pour utiliser des onduleurs au gallium, mais une autre solution relativement nouvelle pour le marché automobile est à l’ordre du jour en Formule E : « Au moment nous utilisons tous des onduleurs silicium-carbone. Nous sommes toujours un peu en avance sur ce qui est disponible pour l’industrie automobile. C’est un peu un laboratoire : on a des puissances élevées et un double rapport cyclique. De plus, l’onduleur doit être suffisamment fiable pour fonctionner toute la saison. La technologie silicium-carbone est en Formule E depuis 6-7 ans, donc beaucoup plus tôt que dans la production en série ».
« C’est sans doute l’objectif premier du championnat. Les équipes ici sont à la pointe des départements R&D des constructeurs, comme pour DS Automobiles. Nous essayons toujours de nous appuyer sur les technologies existantes, de tester de nouveaux composants et d’essayer de comprendre s’ils peuvent être appliqués à une voiture, en particulier une voiture de route. Il y a plusieurs étapes. Évidemment, nous ne mettrions jamais notre groupe motopropulseur sur une voiture de route, car ce n’est pas homologué pour cela et c’est assez cher. Certes, cependant, nous essayons d’élargir nos frontières technologiques, afin que le département de recherche et développement puisse déterminer si une solution est applicable à la production de masse d’ici quelques années. Les onduleurs silicium-carbone en sont un excellent exemple. Nous avons été la première voiture à utiliser cette technologie et quelques années plus tard, elle a commencé à arriver sur certaines voitures de route, en particulier les plus performantes.
Gestion de la chaleur
La compétitivité d’un groupe motopropulseur ne dépend pas seulement de sa construction, mais aussi de sa gestion. « Les pièces que nous utilisons, nous les poussons vraiment à la limite. Sur les circuits de Formule E, nous utilisons cycles de service très élevés, la gestion thermique est donc un gros axe de développement. Cela s’applique également directement aux voitures de série, qui rencontrent plus ou moins les mêmes limitations. » Attention au choix des termes car la gestion thermique ne consiste pas seulement à refroidir mais aussi à maintenir les batteries dans la fenêtre de température optimale.
Sans refroidissement adéquat, l’unité de commande aurait tendance à affaiblir le groupe motopropulseur pour le protéger de la surchauffe, c’est pourquoi l’évacuation rapide de l’excès de chaleur a un impact direct sur les performances : « Les voitures de Formule E roulent pendant plus de 45 minutes sur la piste et sans aucune astuce après deux tours, ils entreraient en déclassement. Le niveau technologique du système de refroidissement de ces machines est impressionnant pour la quantité de chaleur qu’il parvient à évacuer. Dans l’état actuel des choses, la gestion thermique fait vraiment la différence en termes de performances. Les radiateurs sont assez similaires, mais là où les équipes font la différence, c’est dans les interstices de refroidissement de l’électronique interne ».
Le déclassement, c’est-à-dire l’affaiblissement de précaution, est le grand ennemi à combattre. Cependant, concevoir un moteur plus puissant que nécessaire pour le maintenir plus facilement aux limites de puissance de la réglementation n’est pas une option : « Le moteur est conçu exactement pour l’utilisation que nous devons en faire. Il n’est pas conçu pour une puissance supérieure. Les voitures de production sont conçues pour un certain profil d’utilisation et les ingénieurs gardent une certaine marge de manœuvre là-dessus. Une monoplace de course, en revanche, doit être conçue exactement pour son usage. Le moteur n’est pas conçu pour atteindre 370 kW par exemple, mais précisément 350 kW. Oui, il peut être difficile de maintenir cette puissance pendant trois minutes en Attack Mode par exemple, mais ce n’est pas un problème, car la voiture est conçue pour cela ».
Mot au logiciel
Plus encore que la gestion thermique, la gestion électronique affecte profondément le comportement et la compétitivité d’une voiture. Le groupe motopropulseur Stellantis Motorsport, par exemple, équipe les monoplaces DS et Maserati, mais les deux constructeurs développent le logiciel séparément. Thomas Chevaucher a pu toucher les différences croissantes entre les deux voitures grâce au logiciel, malgré le fait que les deux montaient le même moteur : « Les différences sont énormes. Avec un moteur électrique, vous pouvez faire beaucoup de choses. Si vous le comparez à un thermique, il est d’une autre génération. Le logiciel contrôle tout cela. La première partie consiste à tirer le meilleur parti du moteur. Cependant, les courses de Formule E tournent beaucoup autour de la stratégie, de la gestion de l’énergie et de la charge de freinage, tous des domaines contrôlés par un logiciel. Ce sont donc les deux domaines dans lesquels Les monoplaces DS et Maserati fonctionnent différemment. C’est un excellent discriminateur de performance. Chacune des équipes de Stellantis est libre de développer son propre logiciel, même si elles visent toutes les deux les mêmes objectifs ».
« Le développement logiciel du moteur se concentre davantage sur la maniabilité de la voiture », poursuit l’ingénieur. « Les paramètres tels que les fréquences et les tensions, en revanche, sont plus liés à la nature du moteur et dépendent d’un logiciel de bas niveau, qui est étroitement lié au matériel et qui…