Autonomie

Autonomie théorique, nominale, idéale, typique, ou en conditions réelles : cet article vous propose de faire le point sur la distance que l'on peut parcourir avec les différents modèles commercialisés par Tesla Motors®, en fonction des conditions rencontrées.

Batterie

Un véhicule thermique consomme du carburant ; un véhicule électrique consomme de l'électricité. Alors que la quantité de carburant contenue dans le réservoir d'un véhicule thermique est exprimée en litres, la quantité d'énergie contenue dans une batterie de véhicule électrique est exprimée en kilowatt-heures (kWh).

Structure

Un pack batterie est constitué d'un grand nombre d'éléments appelés cellules, assemblées en série et en parallèle.

À titre d'exemple, le pack 85 kWh de la Model S est constitué de 16 modules connectés en série, contenant chacun 6 modules câblés en série également, regroupant chacun 74 cellules connectées en parallèle. Soit au total 7104 cellules. La tension totale du pack représente donc 16 x 6 = 96 fois la tension d'une cellule.

Capacité

Le constructeur Tesla Motors® commercialise différentes batteries désignées par leur capacité commerciale, mais qui n'est pas entièrement disponible pour le conducteur.

Chacune de ces cellules a une capacité unitaire de 3,25 Ah en prenant une tension de coupure (fin de charge) de 4,35 V. Pour prolonger la durée de vie du pack, Tesla abaisse la tension maximale en usage quotidien à 4,2 V. La capacité de chaque cellule est alors de 3,1 Ah et, à titre d'exemple, la capacité du pack 85 n'est plus de 85 kWh, mais de 80 kWh seulement.

On distingue donc :

• La capacité commerciale, caractéristique du modèle, mais théorique ;
• La capacité normale, utilisable depuis 100% (correspondant à 4,2 V par cellule) jusqu'à 0% ;
• La réserve masquée, qui permet de continuer à rouler pendant quelques temps alors que la jauge indique 0 ;
• La capacité inutilisable, comprend les pertes par effet joule dans le pack (échauffement interne), la capacité non utilisée du fait de l'abaissement de la tension de coupure à 4,2 V au lieu de 4,35 V et, en fin de décharge, la quantité d'énergie limite restante en deça de laquelle la batterie ne descendra pas pour la protéger d'une panne majeure et définitive — phénomène appelé « Bricking » — et qui nécessiterait son remplacement.

Le tableau ci-dessous représente les différentes capacités théoriques estimées, suivant les modèles et pour une batterie neuve. Il n'existe pas, à notre connaissance, de données officielles. Les valeurs sont donc, pour la plupart, estimées, et apparaissent en italique. Néanmoins les valeurs en prune ont été mesurées et confirmées par les contributeurs.

Batteries commercialisées
(kWh)(Estimation)(Batterie neuve)

Capacité commerciale	Période de commercialisation	Capacité normale	Réserve masquée	Total utilisable	Capacité inutilisable
60	juin 2012 — avril 2015
70	avril 2015 —	60	3	63	7
85	juin 2012 — février 2016	74,8	3	77,8	7,2
90	juillet 2015 —	79,5	3,2	82,7	7,3

Autonomie théorique

Différentes autonomies ont été définies, en fonction du lieu de commercialisation. Aux États-Unis on parle d'« Ideal Range » et de « Rated Range » ; en Europe d'autonomie nominale et typique.

États-Unis

« Ideal range »

Tesla Motors® communique l'autonomie d'une Model S circulant à 55 mph (88 km/h) en conditions idéales (terrain plat, pas de vent, conducteur seul à bord, pas de climatisation ni chauffage, etc.). La consommation est faible et de ce fait, peu réaliste en conditions réelles. Bien que l'affichage de la jauge puisse être configuré en « Ideal range », ce mode est peu utilisé par les propriétaires.

« Rated range »

L'agence de protection de l'environnement américaine (EPA : Environnement Protection Agency) définit un cycle de test assez réaliste des conditions de circulation rencontrées par les Model S américaines. C'est donc l'affichage privilégié par la plupart des propriétaires des Model S aux États-Unis.

Europe

Autonomie « nominale »

Le cycle européen NEDC R101 définit un protocole très peu contraignant et permet aux constructeurs d'afficher des consommations théoriques très basses. Il est difficile, dans les conditions réelles, d'atteindre une consommation aussi basse, sauf par conditions favorables et à une vitesse de 60 à 70 km/h environ. Néanmoins il est possible de configurer l'affichage de la Model S en autonomie « nominale » selon ce cycle, même si cela n'est pas d'une grande utilité.

Autonomie « typique »

Tesla Motors® a donc prévu d'afficher la jauge de batterie en autonomie « typique », plus réaliste. Elle tient compte d'une majoration de la consommation de 25% et l'autonomie représente alors les 4/5^ème de l'autonomie nominale. Par conditions favorables, cela correspond à la consommation réalisée à une vitesse de 100 km/h environ. C'est l'affichage préféré des utilisateurs de Model S européennes.

Résumé

Autonomie(s) pour un véhicule neuf (km)(estimation)

		États-Unis (pour info)				Europe
Modèle	Capacité normale	« Ideal range »		« Rated range » EPA		Autonomie « nominale » NEDC		Autonomie « typique »
	kWh	km	Wh/km	km	Wh/km	km	Wh/km	km	Wh/km
Model S 60				335		375
Model S 70	60	419	143	370	162	420	143	332	181
Model S 70D	60	437	137	386	155	442	136	349	172
Model S/P/P+ 85	74,8	483	155	426	175	502	149	402	186
Model S 85D	74,8	492	152	434	172	528	142	420	178
Model S P85D	74,8	461	162	407	184	491	152	393	190
Model S 90	79,5	511	156	451	176	532	150	425	187
Model S 90D	80,3	521	153	463	173	557	142	446	180
Model S P90D	79,5	489	162	435	184	520	153	416	191

Commentaires :

• les valeurs en bleu sont des données officielles constructeur validées par l'Autorité ;
  • pour les batteries 70 ou 85 kWh, les valeurs sont relevées dans le configurateur Tesla ;
  • pour la batterie 90 kWh, il s'agit de la valeur de la S/P 85 correspondante, majorée de 6% (chiffre officiel), sauf pour les 70D, S90D et P90D, dont les valeurs sont relevées directement dans le site Teslamotors au Canada ;
• les valeurs en vert sont calculées :
  • l'autonomie typique représente 80% de l'autonomie nominale ;
  • les consommations spécifiques (Wh/km) représentent la capacité normale (en Wh) divisée par l'autonomie (en km).
• les valeurs en italique sont estimées et nécessitent d'être confirmées par les mesures des contributeurs ;
• les valeurs en prune sont mesurées et confirmées par les contributeurs ;
• Pour les modèles DUAL MOTORS, toutes les valeurs sont données avec le « Torque sleep » activé : MODE ÉCO : ON
  Ce mode permet de mettre instantanément, et de manière totalement transparente pour le conducteur, un des deux moteurs (le moteur arrière sur la P85D) en sommeil lorsque son utilisation n'est pas nécessaire. Le gain attendu peut atteindre 10% de baisse de consommation.

Consommations réelles

L'autonomie réelle sera proche de l'autonomie typique dans les conditions suivantes :

• vitesse 100 km/h
• jantes 19 pouces
• terrain plat
• pas de vent
• chaussée sèche (pas de pluie)
• ni chauffage ni climatisation
• température 20°C

En dehors de ces conditions, l'autonomie réelle peut varier. Voyons dans quelles proportions.

Influence de la vitesse

Variation de la consommation en fonction de la vitesse
Exemple : Model S/P 85

Vitesse (km/h)	Consommation spécifique (Wh/km)	Écart par rapport à la consommation typique	Calcul mental
(nominale)	149	-20%
80	160	-14%
90	180	-3%
100 (typique)	186	—
110	210	+13%	+1/10ème
120	230	+24%	+1/4
130	250	+34%	+1/3
145	280	+51%	+1/2

Commentaires :

• La vitesse influe grandement sur la consommation. Si l'on a peur de ne pas atteindre la destination, il suffira souvent de ralentir.
• À 130 km/h par exemple :
  1. la consommation réelle correspond à la consommation typique majorée d'un tiers environ ;
  2. Parcourir une distance de 100 km consomme 134 km de jauge de batterie environ ;
  3. Une batterie qui affiche 402 km d'autonomie typique à pleine charge peut donc parcourir : 402÷(1+1/3) = 402 x 3/4 = 301 km.
     On voit donc qu'une Model S/P/P+ 85 certifiée 502 km NEDC à pleine charge ne peut parcourir que 402 km à 100 km/h (=autonomie typique) et 301 km à 130 km/h.
• Pour tenir la consommation NEDC il faut rouler doucement, sans doute à 60~70 km/h environ : irréaliste en conditions réelles. C'est pourquoi ce test de certification sera prochainement abandonné en Europe.

Influence du relief

L'impact du relief est considérable. Heureusement une grande partie de l'énergie dépensée pour monter peut-être récupérée à la descente grâce au freinage récupératif dans des conditions normales de conduite.

Montée

Démonstration :

L'énergie potentielle de pesanteur acquise durant la montée est donnée par la formule : [math]E_{pp} = m \cdot g \cdot h[/math]

• Epp représente l'énergie potentielle de pesanteur (exprimée en Joules)
• m représente la masse exprimée (en Kg).
• g représente l'accélération de la pesanteur : 9,81 m/s^2
• h représente le gain ou la perte d'altitude (en mètres).

Pour un véhicule de 2300 kg qui grimpe de 100 mètres : [math]E_{pp} = 2300 \times 9,81 \times 100 = 2 256 000[/math].

Il faut donc fournir 2256 KJ à ce véhicule pour le faire grimper de 100 mètres, soit : [math]2256 \div 3,6 = 627[/math] Watt-heure.

Pour une Model S 85, 1 km de jauge typique correspond à 186 Wh (cf tableau). Faire grimper la voiture de 100 mètres induit donc une diminution de la jauge de :[math]637 \div 186 = 3,37[/math]kilomètres.

Calcul mental

☛ Diviser le gain d'altitude par 30 pour estimer l'impact sur la jauge

Exemple :

• Q : La jauge indique 300 km au départ. Qu'indiquera t-elle au sommet d'un col 1800 m plus haut et situé à 30 km ?
• R : L'impact de l'élévation est de 1800 / 30 = 60 km. En haut du col la jauge indiquera 300 – 60 – 30 = 210 km.

Descente

L'intérêt du véhicule électrique est de pouvoir récupérer une partie de l'énergie dépensée pour gravir le relief. Pour la Model S cette récupération est estimée aux 2/3 de l'énergie potentielle de pesanteur, soit un peu plus de 2 km pour 100 m de descente, mais cette valeur est conservatoire. En deça d'un certain couple (vitesse ; pente moyenne de descente), la voiture n'utilise pas le freinage récupératif, et l'énergie potentielle de pesanteur est intégralement utilsée pour faire avancer la voiture.

☛ pour en savoir plus et participer, consulter l'onglet Discussion:Autonomie en miroir de cette page.

Attention : Il existe cependant certaines situations où la récupération d'énergie est limitée ou indisponible :

• pack batterie déjà plein ;
• températures froides : voir Utilisation par temps froid dans ce wiki.

Exemple :

• Q : La jauge indique 200 km au départ d'un point situé à 2000 m d'altitude. Qu'indiquera t-elle à l'arrivée dans la vallée, 1000 mètres plus bas, à 20 km de là ?
• R : Le véhicule descend de 1000 mètres. L'impact de l'élévation est de 1000/100 *2 =20 km. Arrivée dans la vallée la jauge indiquera 200 + 20 – 20 = 200 km. (Exactement comme au départ)

Influence du vent

Nous avons vu que l'influence de la vitesse de croisière sur la consommation était importante. Deux sources de frottements sont à l'origine de cette consommation :

1. les frottements mécaniques : roulements du moteur et des roues, réducteur, pneumatiques. Ils sont proportionnels au poids du vehicule pour ce qui est du frottement des roues sur le sol et peu sensible à la vitesse. Ils ne représentent donc qu'une part minoritaire de l'énergie dissipée une fois le véhicule en vitesse de croisière ;
2. les frottements aérodynamiques : proportionnels au carré de la vitesse, ils représentent, malgré l'excellent aérodynamisme de la Model S (Cx 0,24 ; surface équivalente de traînée : 6,2 pieds carrés), la plus grande partie des pertes en vitesse de croisière.

Mais la voiture se déplace dans une masse d'air qui n'est pas forcément immobile, et les frottements aérodynamiques sont fonction de la vitesse de déplacement dans cette masse d'air et non pas de la vitesse de déplacement au sol. Il est donc indispensable de prendre en compte la composante de vent subie, favorable ou défavorable, pour estimer la variation de consommation. De manière conservatoire, on peut estimer qu'une composante de vent de face de 10 km/h a le même effet sur la consommation qu'une augmentation de vitesse de 10 km/h, même si ce n'est pas tout à fait vrai car les frottements mécaniques n'ont pas augmenté.

Exemple : Un jour de mistral, on effectue un trajet Sud-Nord sur l'A7. Si l'on roule à 100 km/h et que l'on subit un vent de face de 40 km/h, on peut, en première approche, estimer que la consommation résultante approchera celle que l'on aurait en roulant à 140 km/h. Soit une majoration de la consommation de 40% environ.

Il est donc essentiel de se renseigner sur la composante de vent, arrière ou de face, subie sur le trajet et d'adapter sa vitesse ou ses recharges en fonction.

influence de la température

C'est un des paramètres les plus délicats à apprécier, car la consommation dépend certes de la température ambiante, mais aussi et surtout du type de trajet. En effet la consommation de la climatisation ou du chauffage ne dépend pas de la distance parcourue, mais du temps passé en fonctionnement. Plus la vitesse moyenne du véhicule sur le trajet est élevée, moins l'effet de la climatisation ou du chauffage sur la consommation spécifique (Wh/km) est important. L'impact est donc important en ville à vitesse faible, mais beaucoup moins sur la route ou l'autoroute.

En été

C'est la saison la plus favorable. La climatisation consomme assez peu, de l'ordre de 1 kWh par heure :

• Sur route et autoroute, où la consommation est de l'ordre de 20 kWh/100 km, son utilisation majore la consommation d'environ 5%. Cette surconsommation est compensée par une traînée aérodynamique plus faible car l'air est moins dense lorsque la température est élevée ;
• En ville, la question de l'utilisation de la climatisation peut se poser, car sa consommation horaire peut impacter significativement la consommation spécifique (Wh/km) si le véhicule se déplace lentement (embouteillages). L'usage du toit ouvrant et/ou l'ouverture des vitres, est alors pertinent (à la place de la climatisation).

En hiver

Densité de l'air

En hiver, lorsque les températures chutent, la densité de l'air augmente. Il s'ensuit une augmentation de la consommation d'autant plus importante que la vitesse est élevée (si la vitesse double, la traînée aérodynamique est multipliée par quatre). Cet effet est donc sensible sur route et autoroute.

Chauffage

Le chauffage de la Model S est très puissant : 6 kW maximum pour la cabine (et 6 kW supplémentaires pour le réchauffage du pack s'il est utilisé). Son utilisation a donc un impact très significatif sur la consommation :

• sur route et autoroute, à 100 km/h, où la consommation du moteur est d'environ 20 kWh aux 100 km, la puissance moyenne est donc de 20 kW. En enclenchant le chauffage de la cabine, elle bondit à 26 kW, et la consommation spécifique passe de 200 Wh/km à 260 Wh/km (+30 %). Mais cette augmentation n'est que transitoire. En effet :
  • D'une part, à la puissance maximale, l'habitacle va très rapidement atteindre la température de consigne et la puissance du chauffage va baisser pour la maintenir ;
  • D'autre part, la Model S est équipée d'un système de régulation thermique très élaboré, qui va lui permettre, par le moyen d'échangeurs, de prélever sur l'ensemble moteur-inverteur-réducteur (« Drive Unit » = DU) les calories nécessaires pour réchauffer l'habitacle. Après 30 mn de route à 100 km/h, l'apport calorique est tel que la puissance du chauffage résistif est réduite à environ 1 kW. L'augmentation globale de la consommation spécifique est donc limitée à 5% environ.
• En ville, à une vitesse moyenne de 40 km/h, la consommation du moteur est d'environ 15 kWh aux 100 km. Pendant les 2h30mn nécessaires pour parcourir 100 km à cette vitesse, le chauffage résistif, utilisé à pleine puissance consommerait 2,5 x 6 = 15 kWh. Soit plus que le moteur ! Heureusement, la puissance du chauffage est très rapidement réduite à 3 kW environ une fois la température de consigne atteinte. Par contre, à la différence d'un trajet sur route et autoroute, il y aura peu de calories à prélever sur le DU car il chauffe beaucoup moins à vitesse faible. L'énergie consommée pendant 2h30 est donc estimée, hors phase de montée en température à : 2,5 x 3 ≈ 7,5 kWh. Quoiqu'il en soit la consommation bondit tout de même de 15 à 22,5 kWh aux 100 km, soit 50 % de plus !
  Dans le cas spécifique de plusieurs petits trajets réalisés en ville l'hiver, et entrecoupés d'arrêts supérieurs à 30 mn, la consommation spécifique peut doubler pour passer de 150 à 300 Wh/km du fait des remontées en températures de l'habitable. C'est le cas le plus pénalisant. On voit ici l'intérêt de baisser le chauffage de l'habitacle et d'utiliser le chauffage des sièges (et du volant, si installé).

☛ Pour en apprendre plus sur le système de régulation thermique de la Model S et les différentes façons de réduire la consommation l'hiver, consultez l'article détaillé dans ce wiki : Utilisation par temps froid

Influence de la pluie

Une chausse mouillée oppose une résistance plus grande à l'avancement qu'une chaussée sèche tandis que, dans le même temps, l'eau alourdit la voiture et les essuie-glaces consomment de l'électricité.

L'impact global conduit à une surconsommation estimée à environ 3 %.

Note : il est possible d'éviter l'utilisation des essuie-glaces en appliquant un traitement hydrophobe sur le pare-brise.

Influence de la monte jantes-pneumatiques

Les tableaux d'autonomie théoriques prennent en compte les consommations officielles sur la base des jantes OEM 19 pouces. Pour une monte différente, envisager :

• une augmentation de la consommation de 3% avec la monte 21 pouces ;
• une baisse de la consommation de 2% en vitesse de croisière et de 1% en ville pour les nouvelles jantes Cyclone 19 pouces, à monte pneumatique identique ;
• les nouveaux pneumatiques Michelin Primacy 19 pouces permettent un gain de consommation allant jusqu'à 5% sur route et 3% en ville par rapport aux Goodyear RSA2.

Il faut également noter qu'un jeu de pneumatiques neufs induit une surconsommation allant jusqu'à 5% pendant les 1600 premiers kilomètres après le changement.

Influence du réglage de la suspension Smart Air

Par défaut la suspension ne s'abaisse en position BAS qu'à partir de 160 km/h. Dans ce cadre, en usage normal sur le réseau autoroutier français, elle ne passe donc pas en position basse.

Il est toutefois possible que modifier ce réglage à l'aide d'un curseur pour provoquer son abaissement pour une valeur comprise entre 100 et 160 km/h. La garde au sol étant diminuée, le risque d'impact avec un objet se trouvant sur la chaussée est augmenté. Avant de pouvoir modifier le réglage, l'utilisateur doit confirmer qu'il a compris ce risque.

L'impact sur la consommation de l'abaissement de la suspension de NORMAL à LOW est estimé :

• pratiquement nul à 100 ou 130 km/h  ;
• inférieur à 2% à 160 km/h.

Influence du rétro-éclairage des écrans

Elle est pratiquement nulle. La consommation des écrans varie entre 42 W (pour une luminosité réglée sur 0 %) et 62 W (pour un réglage de luminosité réglée à 100 %). Cette surconsommation correspond à l'énergie nécessaire pour parcourir 400 mètres sur un total de 400 km.

De même il est inutile de restreindre l'utilisation des ports USB pour la recharge des appareils mobiles.