Voitures électriques : quel est l'impact du poids sur l'autonomie ?

Le poids a une influence sur la consommation et donc sur l’autonomie. Pourquoi et dans quelle mesure ? On fait le point.

Tous les véhicules sont soumis à de nombreux facteurs, qui ont un impact sur leur consommation et leur autonomie. Comme d’habitude, si cela est vrai pour les voitures thermiques, ces aspects ont une importance capitale avec les voitures électriques. Alors que nous avons déjà fait le point sur l’impact de l’aérodynamique sur l’autonomie, voyons désormais comment le poids fait évoluer la consommation.

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C’est quoi, le poids ?

Communément mais faussement exprimé en kilogrammes, le poids correspond, en physique, à la force exercée par la pesanteur. Exprimée en newtons, cette valeur est le produit de la masse d’un objet, ici en grammes ou kilogrammes, et de l’accélération de la pesanteur, autrement dit la gravité terrestre, de 9,81 m/s². Cette accélération étant sensiblement uniforme autour de la Terre, le poids est donc toujours proportionnel à la masse de l’objet. Voilà qui peut expliquer la confusion entre les deux notions, dont personne ne trouvera à redire. Pas même votre primeur passionné de physique qui exprimera toujours le poids des poires en kilos et non pas en newtons.

La masse, qui va donc nous intéresser ici, est définie de deux manières, avec les notions de masse grave et de masse inerte. La première est relative à la gravitation et donc à la force d’attraction. La seconde est relative à l’inertie et donc à la résistance d’un objet à l’accélération. En toute logique (mais vous vous en doutez sans doute déjà), plus la masse d’un corps est élevée, plus la force pour la mettre en mouvement devra être importante. La masse est donc une résistance de plus à combattre pour permettre à une voiture d’avancer. Elle fait partie des résistances au roulement et vient s’ajouter à la résistance aérodynamique. Cette résistance est donc proportionnelle à la masse de l’objet. La puissance nécessaire peut être calculée grâce à la force et l’accélération. N’entrons pas dans les détails puisque les calculs sont si théoriques qu’ils ne représentent pas la réalité.

Notons aussi que si la masse fait surconsommer à l’accélération, elle a aussi un impact à la décélération. Car, plus un objet en mouvement est lourd, plus il possède d’énergie cinétique. Dans le monde parfait de la théorie, une voiture plus lourde ira un peu plus loin qu’une auto identique mais plus légère. Notons toutefois que la distance n’est pas proportionnelle à l’écart de poids. De la même manière, elle mettra plus de temps à s’arrêter à système de freinage similaire.

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En revanche, cette inertie lui permettra de récupérer davantage d’énergie grâce au système de freinage régénératif. En proportion, sa capacité de récupération est généralement plus importante que celle d’une voiture légère. Mais il apparaît difficile de qualifier la masse d’un avantage ici puisque, selon les principes de la physique, plus une voiture est lourde, plus elle consommera à l’accélération ou à la montée. Comme l’a révélé une étude de l’ADAC que corroborent certaines de nos mesures, plus une voiture est lourde, plus son taux de récupération est important. Mais au final, plus la voiture est lourde, plus la consommation finale est élevée. Le poids ne sera jamais un gage d’efficience. C’est d’ailleurs dans ces deux dernières phases que la masse est la plus pénalisante. A contrario, à des vitesses stabilisées, elle a peu d’influence. D’autant plus que les vitesses stabilisées se situent habituellement à des niveaux où la résistance aérodynamique devient prépondérante (voies rapides et autoroutes).

Quel est l’impact du poids sur la consommation ?

Le poids a donc un impact sur la résistance au roulement et donc sur les consommations de la voiture. Mais dans quelles proportions ? Voyons plusieurs cas théoriques, avec des calculs à des vitesses fixes, mais aussi avec un cycle complet WLTP : ce comparatif sera certainement plus parlant puisqu’il prend en compte des phases de roulage où la masse a le plus d’effet.

Commençons par la théorie avec notre base de calcul, en prenant pour exemple le MG S5 EV, déjà passé au peigne fin par nos services. D’après nos essais réalisés à des vitesses fixes contrôlées par GPS (70, 90, 110 et 130 km/h), nous avons mesuré des consommations instantanées de 11,6, 14,4, 18,0 et 22,8 kWh/100 km respectivement. D’après les mathématiques, le véhicule est censé consommer 11,2, 14,3, 18,1 et 22,8 kWh/100 km. La théorie et la pratique sont donc assez proches, si l’on s’accorde une marge d’erreur, puisque nos mesures sont réalisées sur route ouverte et non pas en laboratoire.

En augmentant le poids de 100 kg (5,5 %), on s’aperçoit que la résistance au roulement accrue engendre une surconsommation de 0,4 kWh/100 km à 70 km/h (3,2 %) et 90 km/h (2,5 %). À plus haute vitesse, la surconsommation n’est que de 0,3 kWh/100 km (1,9 % à 110 km/h et 1,5 % à 130 km/h). Au contraire, en réduisant théoriquement le poids de 100 kg, la consommation est inférieure de 2,6 % à 1,4 % : 22,5 kWh/100 km seraient nécessaires à 130 km/h. Inutile donc de s’attarder, la masse n’a pas beaucoup d’effet à haute vitesse stabilisée.

C’est donc bien à des vitesses inférieures, et surtout lors des accélérations, que le poids a le plus d’effets. Pour cela, référons-nous à la précision de la norme WLTP, qui comprend un très grand nombre d’accélérations à des vitesses moyennes proches de la réalité des conducteurs. Pour rappel, la vitesse moyenne totale sans arrêt est de 53,8 km/h. Pour ces comparaisons, nous ajouterons uniquement des équipements qui n’ont pas d’influence sur la résistance aérodynamique ou le rendement de la chaîne de traction (on y reviendra).

On apprend ainsi qu’un Skoda Enyaq 85 Plus gavé d’options (+95 kg) se traduit alors par une surconsommation de 0,6 kWh/100 km (-18 km d’autonomie WLTP). On remarque alors que, malgré un surpoids inférieur à notre exemple précédent (4,5 %), le SUV consomme davantage qu’à de plus hautes vitesses stabilisées. C’est ce que démontrent aussi les fiches de la Volkswagen ID.7 : avec un surpoids d’une trentaine de kilogrammes, la berline présente 0,3 kWh/100 km de plus en cycle Medium (44,5 km/h) contre seulement 0,1 kWh/100 km en cycle High (60,8 km/h). En cycle Low, les plus faibles vitesses compensent l’effet de la masse supplémentaire, alors qu’en cycle Extra-High, la résistance aérodynamique est prépondérante. Au final, la berline allemande ainsi optionnée annonce 0,2 kWh/100 km de plus sur le cycle mixte complet (-7 km d’autonomie WLTP).

Quels équipements ont le plus d’influence ?

Chaque kilogramme ajouté à une voiture a donc un effet sur la consommation en cycle mixte et, dans une moindre mesure, sur l’appétit à vitesse stabilisée sur autoroute. En fouillant dans les données d’homologation, on s’aperçoit que la surconsommation est nulle sous la barre des 5 kg supplémentaires. Correction : la masse a physiquement un impact dès les premiers grammes, mais l’effet est imperceptible sous la barre des 5 kg en moyenne.

De manière générale, les options sont plutôt légères. D’autant que certains équipements viennent en remplacer d’autres. C’est le cas par exemple d’une sono avec plusieurs haut-parleurs : avec à peine plus de 5 kg supplémentaires, la surconsommation est mesurée (+0,1 kWh/100 et -1 km d’autonomie WLTP). Même chose avec un pack Hiver (sièges/volant chauffants…) ou une suspension pilotée, avec une poignée de kilogrammes en plus. Avec la Renault 5 e-Tech, le pack Hiver de 3 kg ne fait perdre qu’un seul kilomètre d’autonomie. D’autres packs peuvent toutefois se montrer plus lourds. C’est le cas par exemple du pack Maxx de chez Skoda : en cumulant les équipements (affichage tête haute, siège massant, sono Canton), cette option fait grimper le poids de 25 kg (+0,1 kWh/100 km et -5 km).

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Parmi les options les plus lourdes (n’exagérons rien), on retrouve le crochet d’attelage amovible. D’une masse pouvant graviter autour des 17/18 kg, le système fait perdre 3 à 4 km d’autonomie. Mais des dispositifs motorisés pèsent davantage sur la balance : s’il ne communique pas son poids, celui du BMW iX3 fait augmenter la consommation de 0,2 kWh/100 km pour 7 km d’autonomie en moins. On peut donc estimer le surpoids à près de 30 kg ! Soit largement plus que le toit vitré panoramique de ce SUV (+0,1 kWh/100 km et -3 km).

Toutes les masses ne sont pas égales

Nous avons fait le choix d’équipements embarqués pour mieux mettre en lumière l’impact du poids sur les consommations. Car, dans d’autres cas, la masse supplémentaire s’accompagne aussi de modifications techniques. Preuve en est avec le Skoda Elroq : plus lourde de 142 kg (2 069 vs 1 927 kg), la version 85 devrait consommer 1,0 kWh/100 km de plus (-30 km) que la version 60 identique selon nos calculs. Or, elle affiche un appétit inférieur de 0,6 kWh/100 km (15,3 vs 15,9). La cause : une chaîne de traction différente, avec notamment la machine électrique APP550 de 286 ch, plus sobre que l’APP310 de 204 ch !

Exemple inverse avec une version à quatre roues motrices dotée d’un bloc supplémentaire. Avec 77 kg de plus, le Skoda Elroq 85x présente une surconsommation de 0,9 kWh/100 km (-32 km). D’après nos calculs, le seul surpoids de cette configuration devrait se traduire par un appétit supérieur de 0,5 kWh/100 km (-18 km). Les 0,4 kWh/100 km restants sont dus à la consommation supplémentaire sur certaines phases de roulage.

On retrouve le même phénomène avec les déclinaisons breaks de quelques voitures électriques. En raison de leur silhouette, ces versions modifient un peu la performance aérodynamique. Dès lors, une Mercedes CLA Shooting Brake (+20 kg) affiche 0,5 kWh/100 km de plus, alors que la BMW i5 Touring (+50 kg) réclame 0,9 kWh/100 km sur le cycle d’homologation. Malgré un surpoids de 10 kg seulement officiellement, l’Audi A6 e-tron Avant présente elle aussi une surconsommation de 0,9 kWh/100 km, soit 0,8 kWh/100 km de plus que l’impact seul du poids. Une preuve dans ce dernier cas que le coefficient de traînée est sérieusement dégradé par rapport à la berline (Cx de 0,24 vs 0,21).

Enfin, les jantes ne sont pas à négliger. En fonction de la taille du pneu et du dessin extérieur, elles ont une influence sur les résistances au roulement et aérodynamique. Mais les jantes sont avant tout des masses en rotation. Cela signifie que la résistance à la mise en mouvement réclame plus de puissance de la part de la machine électrique. Et donc une consommation supérieure. Dans quelles proportions ? C’est extrêmement variable en fonction du poids et du design. Cependant, pour deux jantes avec une masse similaire, nous observons une surconsommation de 0,2 kWh/100 km (-5 km) en passant d’un pouce à l’autre seulement !

La chaîne Youtube Tire Review l’explique autrement dans une vidéo en mesurant les performances d’une voiture équipée de jantes différentes. Avec les plus légères du lot (36,4 kg au total), la BMW M3 réalise le 50-140 km/h en 5,76 s. Avec les plus lourdes (96 kg au total), le chrono’ passe à 6,07 s. Mais en remettant les jantes plus légères et en ajoutant un lest de 59 kg à bord de la voiture pour combler l’écart entre les deux configurations, la voiture réalise l’exercice en 5,88 s. Autrement dit : la masse des jantes émet plus de résistance que la masse statique.

22 km d’autonomie en moins tous les 100 kg

La masse fait augmenter la résistance au roulement, et donc la consommation. Si son effet est moindre à vitesse stabilisée, d’autant plus au fur et à mesure que cette dernière augmente, elle a un impact plus important à basse vitesse, et notamment lors des accélérations ou en pente. D’après la norme WLTP sur parcours mixte, qui permet une comparaison fiable et représentative, on constate une surconsommation moyenne de 0,4 kWh/100 km par tranche de 50 kg, pour 11 km de moins en moyenne. Aussi, pour faire plus simple, on remarque que les écarts relatifs sont — presque — égaux. Autrement dit, si la masse augmente de 1,5 %, la consommation WLTP est supérieure de 1,5 %. Mais cela n’est vrai que pour les masses additionnelles statiques, et non si la masse s’accompagne d’effets sur le rendement de la chaîne de traction ou sur l’aérodynamique.

Ce qui nous emmène à une autre question : qui de l’amélioration du Cx ou du poids permet de gagner en efficience ? La réponse est beaucoup plus complexe qu’elle n’y paraît, les deux types de résistances n’ayant pas les mêmes effets sur les mêmes phases de roulage. À 70 km/h, réduire le Cx de 0,02 point équivaut à un gain de 100 kg. En raison de son impact plus important, la réduction du Cx de 0,005 point est équivalent à soustraire 100 kg à 130 km/h. Reste que les gains sont plus parlants sur un cycle mixte. D’après nos estimations, réduire le poids de 80 kg en moyenne équivaudrait à un Cx amélioré de 0,02 point. De manière générale, c’est cet écart que l’on constate entre un SUV classique et son — inutile – version Coupé. Il ne fait aucun doute qu’il est plus facile de gagner 80 kg que de tenter de réduire le coefficient de traînée qui implique de revoir entièrement le dessin de la voiture. Reste à savoir ce qui est au centre du cahier des charges…

Mais il ne faudrait pas oublier que la masse n’influe pas seulement sur l’autonomie. Sur une voiture brûlant de l’essence, la surconsommation engendre logiquement davantage de rejets de CO₂ : un surpoids de 100 kg se traduit en moyenne par une consommation mixte supérieure de 0,3 l/100 km pour 8 g/km de CO₂. De plus, le poids a aussi une influence sur les consommables, à l’image des freins et des pneus qui doivent adopter des carcasses spécifiques. Enfin, en fonction de sa position (partie basse ou partie haute), le poids influe aussi le comportement routier. Des pièces mieux développées sont parfois nécessaires pour maîtriser le surpoids, pouvant faire augmenter le coût.