Thermo-management dans les véhicules hybrides - Auto-Tuto

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Thermo-management
dans les véhicules hybrides
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Le thème "Entraînement hybride" revêt une signifi cation toujours plus importante dans le domaine automobile.
Cette technique dans le véhicule a toutefois des effets directs sur le thermo-management, autrement
dit sur la climatisation du véhicule et le refroidissement du moteur.
Avec cette brochure, nous souhaitons aborder plus précisément le thème "Thermo-management dans les
véhicules hybrides". Nous offrons un aperçu des modifi cations qui peuvent ressortir de cette technologie
dans le domaine du thermo-management dans le véhicule et pour la réparation.
Explication du terme
Le terme "Hybride" en lui-même signifi e croisement ou combinaison. Dans la technique automobile, il
signifi e qu'un moteur a combustion avec la technique d'entraînement classique a été combiné dans un
véhicule avec les éléments d'un véhicule électrique.
La technologie hybride devient toujours plus exigeante techniquement : de la technologie de micro-hybridation
à l'hybridation légère et à l'hybridation complète. En dépit des diff érences techniques, toutes
les technologies ont en commun que la batterie utilisée est rechargée par récupération de l'énergie de
freinage.
Les micro-hybrides sont en règle générale équipés d'un moteur à combustion avec système Start-
Stopp ainsi qu'une récupération de l'énergie de freinage.
Les hybrides légères en revanche sont en plus équipés d'un petit moteur électrique et d'une batterie
plus puissante. L'entraînement auxiliaire électrique est exclusivement utilisé pour une assistance au démarrage
et pour un développement de force supérieur lors du dépassement, ce qu'on appelle "Booster".
Les hybrides complètes ne peuvent pas seulement "booster" mais également rouler en mode tout
électrique. Elles sont équipées à cette fi n d'une chaîne cinématique complètement électrique. Celle-ci
requiert toutefois une batterie bien plus puissante qu'une hybride légère.
Une option de l'hybride complète est l'hybride "Plug-in". Celle-ci offre la possibilité de recharger les batteries
pendant la nuit. L'effet secondaire positif de ce type de véhicule est qu'il peut amener simultanément
la cellule d'habitacle à une température désirée. Le véhicule est ainsi prêt à être utilisé le matin suivant.
Des représentants typiques de la catégorie des véhicules hybrides complets sont la Toyota Prius, la BMW
ActiveHybrid X6 (E72) ou le VW Touareg Hybrid. La BMW ActiveHybrid 7 la Mercedes S400 (F04) sont en
revanche des exemples d'hybride léger.
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Aperçu des technologies hybrides
Puissance du
moteur électrique /
du générateur
Micro-hybride Hybride léger Hybride complet
2 - 3 KW
(récupération de la
force de freinage par
le générateur)
10 – 15 KW > 15 KW
Plage de tension 12 V de 42 à 150 V > 100 V
Economie de carburant
possible en
comparaison au
véhicule à
entraînement
conventionnel
Fonctions qui
contribuent à
économiser le
carburant
< 10 % < 20 % > 20 %
! Fonction
start-stopp
! Récupération
! Fonction
start-stopp
! Fonction Boost
! Récupération
! Fonction
start-stopp
! Fonction Boost
! Récupération
! Conduite
électrique
Comme il ressort de la vue d'ensemble, chacune des technologies dispose de diverses fonctions qui
contribuent à économiser le carburant. Ces quatre fonctions sont représentées succinctement dans ce
qui suit.
Fonction start-stopp
Si le véhicule s'arrête, par exemple à un feu ou dans un bouchon, le moteur à combustion est coupé. Si
l'embrayage est actionné pour démarrer et que la première vitesse est enclenchée, la moteur à combustion
démarre automatiquement. Il est ainsi directement disponible pour poursuivre son trajet.
Embrayage Vitesse Régime
moteur
Embrayage Vitesse Régime
moteur
Le véhicule s'arrête - Le moteur est automatiquement coupé. Actionner l'embrayage, passer la vitesse - Le moteur démarre automatiquement
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Récupération
La récupération est la technique avec laquelle une partie de l'énergie de freinage est recouvrée. Cette
énergie est normalement perdue lors du freinage sous forme d'énergie calorifi que. Lors de la récupération
en revanche, le générateur du moteur est directement utilisé comme frein moteur, en supplément au frein
moteur normal. L'énergie produite par le générateur lors du ralentissement est alimentée dans l'accumulateur
de courant (batterie). Ce processus augmente de manière ciblée le couple d'inertie du moteur et
ralentit ainsi le véhicule.
Batterie
Moteur/générateur
Véhicule freinant - charge de la batterie avec une puissance augmentée
Fonction Boost
Pendant la phase d'accélération, les couples disponibles du moteur à combustion et du moteur électrique
se cumulent. Ainsi, un véhicule hybride peut accélérer plus rapidement qu'un véhicule comparable
à entraînement conventionnel. La fonction Boost est destinée à assister au démarrage et à fournir un
développement de force supérieur lors du dépassement. Cette force est générée par un entraînement
électrique auxiliaire qui est mis à disposition exclusivement pour ces deux utilisations.
A titre d'exemple : sur le VW Touareg, cela signifi e un supplément de puissance de 34 kW.
Moteur
Boîte de vitesses
Batterie
Moteur/générateur
Fonction Boost - le moteur à combustion et le moteur électrique entraînent le véhicule.
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Conduite électrique
Si une puissance d'entraînement réduite est nécessaire, comme par exemple pour la circulation urbaine,
seul le moteur électrique assure l'entraînement. Le moteur à combustion est coupé. Il ressort de ce type
d'entraînement : pas de consommation d'essence et pas d'émissions.
Zéro émission
Pas de consommation d'essence
Moteur
Moteur
Conduite électrique - entraînement par le moteur électrique uniquement
Avec ces technologies dans le véhicule, certaines conditions sont changées qui doivent être prises en
compte dans le travail quotidien.
Tensions électriques dans le réseau de bord
Les exigences et les prestations auxquelles l'entraînement électrique d'un véhicule hybride doit satisfaire
et apporter ne peuvent pas être couverte avec des plages de tension de 12 ou 24 Volt. Des plages
de tensions signifi cativement supérieures sont nécessaires. Il faut ce faisant prendre impérativement
en compte que la plage haute tension commence aux tensions alternatives supérieures à 25 V et aux
tensions continues supérieures à 60 V. Selon la norme ISO, cette plage de tension est considérée comme
dangereuse pour les hommes.
0 V 12 V 24 V 60 V 120 V 230 V Hybride complet
Plages de tension
Sécurité
Des composants haute tension sont obligatoirement montés dans les véhicules hybrides. Ils sont identifi
és par des plaquettes d'avertissement uniformes. Toutes les conduites haute tension sont en plus exécutées
dans un orange lumineux, quel que soit le constructeur. La procédure suivante s'applique comme
règle de base pour les travaux sur les véhicules hybrides.
1. Mettre hors tension
2. Sécuriser contre une remise sous tension
3. S'assurer de l'état hors tension
Respecter les préconisations du constructeur du véhicule!
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Ne pas travailler sur des composants haute tension sous tension !
Toujours observer les plaquettes d'avertissement sur les composants et les éléments !
Exemples : plaquettes d'avertissement sur les modules et les composants.
La technologie hybride implique également des changements sensibles pour le thermo-management,
aussi bien pour le circuit de liquide de refroidissement que dans le circuit de réfrigérant. Nous décrivons
dans ce qui suit les zones et les composants du Thermo-management qui sont concernées, comment
les modes de fonctionnement changent et ce que cela signifi e pour votre travail.
Climatisation d'habitacle
Pour les concepts d'entraînement courants avec moteur à combustion, la climatisation d'habitacle dépend
directement du fonctionnement du moteur en raison du compresseur à entraînement mécanique.
Les compresseurs mis en oeuvre dans les véhicules désignés comme micro-hybrides dans les cercles
spécialisés et qui possèdent uniquement une fonction start-stopp sont aussi du type à entraînement par
courroie. Il en ressort la problématique qu'en cas d'arrêt du véhicule et avec le moteur hors service, la
température à la sortie de l'évaporateur de la climatisation monte au bout de 2 secondes déjà. L'augmentation
lente de la température de souffl age de la ventilation qui en ressort ainsi que l'augmentation de
l'humidité de l'air sont ressenties comme gênantes par les occupants du véhicule.
Pour faire face à ce problème, il sera possible à l'avenir d'utiliser ce qu'on appelle des évaporateurs à
accumulation qui viennent d'être mis au point.
Evaporateur à accumulation
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L'évaporateur à accumulation est composé de deux blocs : un bloc évaporateur et un bloc accumulateur.
Les deux blocs sont traversés par un fl ux de liquide réfrigérant dans la phase de démarrage ou avec le
moteur qui tourne. Un fl uide latent se trouvant dans l'évaporateur est refroidi pendant ce temps jusqu'à
geler. Cela devient ainsi un accumulateur de froid.
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1 Bloc évaporateur : 40 mm d'épaisseur
2 Bloc accumulateur de 15 mm
3 Réfrigérant
4 Fluide latent
5 Rivet borgne
2
3
4
5
Représentation schématique - évaporateur à accumulateur
Dans la phase d'arrêt, le moteur est arrêté et le compresseur n'est de ce fait pas entraîné. L'air chaud
passant sur l'évaporateur est refroidi et un échange de chaleur a lieu. Cette échange dure jusqu'à ce que
le fl uide latent ait totalement fondu. Après reprise du déplacement, le processus reprend depuis le début,
si bien qu'après une minute, l'évaporateur à accumulateur peut de nouveau refroidir l'air.
Pour les véhicules sans évaporateur à accumulateur, il est nécessaire de redémarrer le moteur après une
période d'arrêt très courte lorsqu'il fait chaud. C'est l'unique manière de maintenir le refroidissement de
l'habitacle.
La climatisation de l'habitacle du véhicule inclut également le chauffage de la cellule passagers si nécessaire.
Pour les véhicules hybrides complets, le moteur à combustion est coupé pendant la phase de
circulation purement électrique. La chaleur résiduelle dans le circuit de refroidissement ne suffi t pour le
chauffage de l'habitacle que pendant une durée très courte. Des éléments chauffants PTC électriques qui
se chargent de la fonction de chauffage sont alors ajoutés en assistance. Le mode de travail est comparable
à celui d'un sèche-cheveux : l'air aspiré par le ventilateur d'habitacle est chauffé en traversant les
résistances de chauffage et s'écoule ensuite dans l'habitacle.
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Compresseur haute tension
Le compresseur haute tension
Dans les véhicules avec technologie hybride complète, les compresseurs utilisés sont des modèles à
haute tension qui ne dépendent pas du fonctionnement du moteur à combustion. Grâce à ce nouveau
type d'entraînement, des fonctions qui entraînent une nouvelle augmentation du confort en ce qui a trait à
la climatisation du véhicule deviennent possibles :
il existe la possibilité de refroidir au préalable l'habitacle chaud à la température souhaitée avant de commencer
à conduire. Une télécommande permet de procéder à l'activation.
Ce refroidissement à l'arrêt ne peut avoir lieu qu'en fonction de la capacité disponible des batteries. Le
compresseur est ce faisant activé en prenant en compte les exigences nécessaires à la climatisation avec
la puissance la plus basse possible.
Avec les compresseurs haute tension utilisés actuellement, la régulation de la puissance est effectuée
par une adaptation en conséquence du régime moteur par tranches de 50 tr/min. C'est pourquoi il est
possible de renoncer à une régulation interne de la puissance.
A l'opposé du principe des plateaux oscillants qui sont mis en oeuvre le plus souvent dans le domaine
des compresseurs à entraînement par courroie, c'est le principe Scroll qui intervient pour la compression
du réfrigérant sur les compresseurs haute tension. Les avantages en sont une économie de poids d'env.
20% et un réduction de la cylindrée d'une même proportion avec une puissance identique.
Pour générer le fort couple correspondant pour l'entraînement du compresseur électrique, une tension
continue de plus de 200 Volt est ici appliquée, soit une tension très élevée dans cette catégorie de véhicules.
Le convertisseur intégré dans l'unité électromotorisée convertit cette tension continue en tension
alternative triphasée requise par le moteur électrique sans balais de charbon. La dissipation de chaleur
nécessaire du convertisseur et des bobines du moteur est rendue possible par la traversée du retour du
réfrigérant vers le côté dépression.
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Compresseur Scroll
Moteur haute tension
Détendeur
Evaporateur hautes
performances
Compresseur électrique
PTC haute tension
Gestion de la température de la batterie
La batterie est essentielle pour le fonctionnement d'un véhicule hybride. Celle-ci doit mettre à
disposition les importantes quantités d'énergies nécessaires à l'entraînement rapidement et avec
fi abilité. Généralement ces batteries sont des batteries haute tension Nickel-métal-hybride, mais les
batteries haute tension lithium-ions sont de plus en plus répandues. Cela permet de continuer à
réduire la taille et le poids des batteries de véhicules hybrides.
Il est absolument nécessaire que les batteries utilisés soient exploitées dans une plage de température
déterminée. A partir d'une température de service de +40 °C, la durée de vue diminue ; à une
température inférieure à -10 °C, le degré d'effi cacité réduit et la puissance diminue. La différence de
température entre les cellules individuelles ne doit en outre pas être supérieure à 5 - 10 °C.
Des charges pic de courte durée en liaison avec des fl ux élevés comme la récupération et le Boost
causent un échauffement non négligeable des cellules. Lorsque les températures extérieures sont
élevées dans les mois d'été, la température atteint rapidement la valeur critique de 40 °C.
La conséquence d'un dépassement de la température est un vieillissement plus rapide et la défaillance
précoce de la batterie. Les fabricants du véhicule visent une durée de vie théorique des
batteries d'une vie de véhicule (env. 8 à 10 ans). C'est pourquoi le processus de vieillissement ne
peut être contré que par une gestion en conséquence de la température.
Jusqu'à présent, trois versions différentes de la gestion de température sont utilisés.
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Possibilité 1
L'air est aspiré de l'habitacle du véhicule climatisé et utilisé pour le refroidissement de la batterie. L'air
froid aspiré de l'habitacle du véhicule a une température inférieure à 40 °C. Cet air est utilisé pour traverser
les surfaces librement accessibles du pack de batteries. Les inconvénients de cette possibilité sont :
! L'effi cacité de refroidissement réduite.
! L'air aspiré depuis l'habitacle ne peut pas être utilisé pour une réduction uniforme de la température.
! Le travail important pour le guidage de l'air.
! Les éventuels bruits gênants dans l'habitacle par le ventilateur.
! Il existe une liaison directe de l'habitacle avec la batterie par le biais des canaux d'air. Cela doit être
considéré comme problématique pour des raisons de sécurité (par ex. dégazage de la batterie).
! Il ne faut pas sous-estimer le danger de la pénétration de salissures dans le pack de batteries car l'air
de l'habitacle contient également des poussières. La poussière se dépose entre les cellules et forme
en liaison avec l'humidité condensée de l'air une couche conductrice. Cette couche favorise la génération
de courants de fuite dans la batterie.
Pour contourner ce risque, l'air aspiré est fi ltré. En alternative, le refroidissement de l'air peut également
avoir lieu au moyen d'un climatiseur séparé, de manière comparable aux climatisations arrières séparées
dans les véhicules haut de gamme.
Compresseur
Condenseur
Evaporateur
Cabine
Evaporateur
de batterie
Batterie
Circuit de liquide
de climatisation
Possibilité 2
Une plaque d'évaporateur spéciale, enfermée dans la cellule de batterie est raccordée à la climatisation
se trouvant dans le véhicule. Cela est effectué au cours de ce qu'on appelle un processus de splitting
du côté haute pression et du côté basse pression via des conduites et un détendeur. Ainsi, l'évaporateur
d'habitacle et la plaque d'évaporateur de la batterie qui fonctionne comme un évaporateur courant sont
raccordés à un unique circuit.
Grâce aux diverses tâches des deux évaporateurs, il ressort des exigences variées de débit de réfrigérant.
Alors que la climatisation d'habitacle doit répondre aux exigences de confort des passagers, la batterie
haute tension requiert un refroidissement plus ou moins fort, en fonction de la situation de conduite et de
la température ambiante.
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Il ressort de ces exigences une régulation coûteuse de la quantité de réfrigérant évaporé. La construction
particulière de la plaque d'évaporateur et l'intégration rendue ainsi possible dans la batterie off re une
grande surface de contact pour l'échange de chaleur. Il est ainsi assuré que la température supérieure
maximale critique ne dépasse pas la température maximale de 40 °C.
Avec des températures extérieures très basses, une augmentation de la température à la température
idéale de la batterie de min. 15 °C est nécessaire. Cependant, la plaque d'évaporateur peut aider dans
cette situation.
Une batterie froide est moins performante qu'une batterie tempérée et ne peut quasiment plus être chargée
à des températures sensiblement inférieures à zéro. Cela est tolérable dans les hybrides légers : dans
des cas extrêmes, la disponibilité de la fonction hybride est limitée. Il est toutefois possible de conduire
avec le moteur à combustion. Dans le véhicule électrique en revanche, il faudra prévoir un chauff age de
batterie pour pouvoir démarrer et conduire dans chaque situation.
Compresseur
Condenseur
Evaporateur
Plaque
d'évaporateur
Batterie
Circuit climatisation
Plaque d'évaporateur
Remarque
Ces plaques d'évaporateur qui sont directement intégrées dans la batterie ne peuvent pas être remplacées
individuellement. C'est pourquoi il faut remplacer toute la batterie si nécessaire.
Possibilité 3
Pour les batteries de haute capacité, tempérer correctement est vital. C'est pourquoi avec des températures
très basses, un chauffage supplémentaire de la batterie est nécessaire pour l'amener à la plage
de température idéale. Ce n'est que dans cette plaque d'une autonomie satisfaisant est atteinte dans le
mode "Conduite électrique".
Pour procéder à ce chauffage supplémentaire, la batterie est intégrée dans un circuit secondaire. Ce
circuit assure que la température de service idéale de 15 °C à 30 °C est maintenue durablement.
Compresseur
Circuit du réfrigérant
Refroidisseur batterie
Condenseur
Circuit climatisation
Evaporateur
Echangeur de
chaleur spécial
Plaque
refroidissement
Batterie
Chauffage
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Dans le bloc de batteries, une plaque de refroidissement intégrée est traversée par du liquide réfrigérant
qui est composée d'eau et de glycol (circuit vert). A basses températures, le liquide réfrigérant peut être
chauffé rapidement avec un chauffage pour atteindre la température idéale. S'il se produit une augmentation
de la température dans la batterie pendant l'utilisation des fonctions hybrides, le chauffage est coupé.
Le liquide réfrigérant peut alors être refroidi par le refroidisseur de batterie se trouvant à l'avant du véhicule
au moyen du vent de déplacement.
Refroidisseur de batterie
Condenseur
Cadre module
Refroidisseur électronique performant
Radiateur de réfrigérant
Cadre du ventilateur
Moteurs du ventilateur
Composants de refroidissement
Si le refroidissement par le refroidisseur de batterie ne suffi t pas lorsque les températures extérieures sont
élevées, le réfrigérant traverse un échangeur de chaleur spécial. Dans celui-ci, le liquide de refroidissement
de la climatisation du véhicule est évaporé. La chaleur peut en outre être transmise très compacte
et avec une haute densité de puissance du circuit secondaire sur le réfrigérant évaporé. Un refroidissement
supplémentaire en retour du réfrigérant a lieu. L'utilisation de l'échangeur de chaleur spécial permet
d'exploiter la batterie dans la plage de température à degré d'action optimale.
Echangeur de chaleur spécial
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Formation continue nécessaire pour la réparation des véhicules hybrides
Pour pouvoir entretenir et réparer les systèmes de thermo-management complexes dans les véhicules hybrides,
il est indispensable de suivre une formation continue permanente. Les collaborateurs qui interviennent
sur de tels systèmes haute tension requièrent par exemple en Allemagne une formation supplémentaire
de 2 jours comme "Electricien pour les systèmes haute tension".
Les connaissances qui y sont acquises permettent d'un côté d'évaluer la mise en danger pour les travaux
nécessaires sur le système, d'un autre côté de réaliser la mise hors tension pour la durée des travaux.
Sans une formation correspondante, il est interdit de procéder à des travaux sur les systèmes haute
tension.
Entretien des véhicules hybrides
Il se produit également une situation particulière pour les travaux de réparation et d'inspection généraux
(comme par exemple sur les systèmes d'échappement, les pneus, les amortisseurs, la vidange d'huile, le
remplacement des pneus etc.).
Seuls des collaborateurs qui ont été formés et informés des dangers de ces systèmes haute tension par
un "électricien pour les systèmes haute tension" sont autorisés à réaliser ces travaux.
Il est de plus impératif de mettre en oeuvre des outils qui répondent aux spécifi cations des constructeurs
de véhicule hybride !
Lors du contrôle et du service de climatisation, il faut veiller que les compresseurs de climatisation électriques
ne soient pas lubrifi és avec les huiles PAG courantes. Celles-ci ne présentent pas les propriétés
d'isolation nécessaires. Il est de ce fait en règle générale utilisé une huile POE qui possède ces propriétés.
Il en ressort qu'il est recommandé pour le contrôle et le service de la climatisation de véhicules utilitaires
d'utiliser des appareils d'entretien de climatisation avec une fonction de rinçage interne et un réservoir
d'huile propre séparé. De cette manière, des mélanges d'huiles propres de types diff érents peuvent être
évités.
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Perspectives d'Avenir
On peut partir du postulat que la mobilité au moyen du moteur électrique va augmenter à l'avenir. Cela a
également des conséquences directes sur le marché automobile dans son ensemble.
L'arrivée de cette évolution est visible chez des producteurs d'électricité renommés qui poussent la mobilité
électrique dans la direction du marché de masse et qui établissent en outre rapidement les infrastructures
nécessaires correspondantes pour les stations de charge. Ainsi, les véhicules hybrides gagnent
en importance aussi bien pour les personnes privées que dans le domaine de la location de voiture : par
exemple, le loueur SIXT va lancer, en commun avec RWE, des voitures de location électriques dans les
grandes villes.
Mais ce n'est pas seulement dans le domaine des voitures privées que ce développement progresse : le
groupe Peugeot par exemple développe en commun avec Mitsubishi d'autres véhicules électrique pour le
domaine des véhicules utilitaires.
Il est prévu jusqu'en 2020 une forte augmentation des immatriculations de véhicules avec entraînement
hybride ou électrique. Ces véhicules sont pour la plupart alimentés par le marché IAM avec des pièces de
rechange et réparés par des ateliers indépendants.
Behr Hella Service a, en sa qualité de fournisseur parmi les leaders de pièces de rechange de Thermo
Management, intégré pour cette raison les premières pièces de rechange pour véhicules hybrides dans
son portefeuille de produits.
Un critère important pour la mise en oeuvre et l'utilisation de véhicules hybrides et électriques est l'autonomie.
Celle-ci peut être sensiblement augmentée par l'utilisation d'un Range Extender. Ce composant
permet de générer le courant électrique requis à bord pour l'entraînement au moyen d'un petit moteur à
combustion.
Mais il n'y a pas que les composants qui peuvent affecter l'effi cacité et l'autonomie d'un véhicule de
manière décisive. Les performances de la batterie et l'effi cacité de tous les consommateurs électriques,
et donc du système de climatisation, jouent également un rôle. L'effi cacité du système de climatisation
sera de ce fait encore optimisée à l'avenir, de sorte que l'autonomie du véhicule soit progressivement
augmentée.
Seul un jeu parfait de tous les composants au sein d'un véhicule qui se fondent sur un entraînement électrique
peut permettre d'atteindre une demande durable pour ce type de mobilité.
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Notes
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