En remplaçant le groupe motopropulseur et les composants auxiliaires d'une pelle par des moteurs électriques compacts et des batteries, l'augmentation de poids globale est minime, voire inexistante. Le positionnement de ces batteries lourdes à l'arrière du carter permet de contrebalancer la charge et offre un emplacement pratique pour un remplacement facile par des batteries neuves en cas de besoin. Selon la machine et la charge de travail, l'autonomie des batteries peut généralement varier de quatre à cinq heures. Cependant, grâce à des stratégies de conception intelligentes, il est possible d'allonger les intervalles de remplacement des batteries et de réduire les intervalles de charge, améliorant ainsi l'efficacité globale de la machine.

Soyons clairs : ces recommandations doivent être appliquées à toutes les machines autant que possible. Ignorer l'impact du gaspillage d'énergie sur l'environnement et votre budget est une approche à court terme. Heureusement, les principaux fabricants d'engins mobiles connaissent parfaitement les exigences réglementaires et les attentes des clients, ce qui explique pourquoi les machines modernes sont déjà très performantes. Cependant, si vous débutez dans le domaine, voici ce que vous devez comprendre.

Bien que cela puisse paraître simple à première vue, l'objectif est d'effectuer vos tâches en utilisant le moins d'électrons possible. En substance, la puissance de sortie requise pour la tâche doit être étroitement liée à la combinaison de tension et d'ampérage fournie par la batterie. Maintenir cette efficacité permet à votre machine d'effectuer un maximum de travail avant de décharger sa batterie.

La marche au ralenti des machines n'est jamais bénéfique

Pour commencer, nous pouvons tirer des enseignements précieux des avancées technologiques dans le domaine automobile, notamment sur la façon dont les moteurs ne fonctionnent qu'en cas de nécessité. Historiquement, il était courant pour les opérateurs de machines de démarrer le moteur au début de leur quart de travail et de le laisser tourner toute la journée, que la machine soit en marche ou non. Cet état d'esprit contraste fortement avec les véhicules de tourisme modernes, où les moteurs électriques ne sont engagés que lorsqu'une charge propulse le véhicule. D'ailleurs, de nombreuses voitures à moteur à combustion interne (ICE) récentes sont désormais équipées de systèmes d'arrêt/démarrage automatiques qui coupent le moteur à l'arrêt, réduisant ainsi le régime moteur à zéro.

On peut se demander pourquoi une fonctionnalité d'arrêt/démarrage similaire, qui arrête automatiquement le groupe motopropulseur pendant les périodes d'inactivité et utilise un démarreur haute tension pour le remettre en marche, n'est pas plus répandue dans les engins mobiles. Les mêmes principes d'économie d'énergie devraient s'appliquer, notamment en ce qui concerne les équipements exclusivement électriques. Ce changement d'approche pourrait considérablement améliorer l'efficacité et la durabilité opérationnelle.

Tout comme les moteurs d'entraînement d'un véhicule électrique ne sont alimentés en courant qu'une fois l'accélérateur enfoncé, les pompes entraînées par le moteur électrique d'une machine alimentée par batterie restent inactives jusqu'à ce qu'un bouton, un levier ou une manette soit actionné. Cela présente plusieurs avantages. Même à vide, un moteur électrique consomme de l'énergie de manière inefficace, fonctionnant en dehors de sa plage de vitesse et de consommation de courant optimales. Couper l'alimentation pendant les périodes d'inactivité préserve la précieuse autonomie de la batterie.

Faire fonctionner une pompe hydraulique au ralenti est encore moins efficace. Tout comme la technologie d'arrêt/démarrage du moteur économise l'énergie, l'arrêt de la pompe hydraulique lorsqu'elle n'est pas utilisée a le même effet. Une pompe à compensation de pression, même au ralenti, consomme toujours de l'énergie en raison de sa masse en rotation, des frottements, des fuites et de l'énergie de pilotage, consommant potentiellement entre 3 et 10 % de sa capacité totale. L'économie d'énergie de la batterie se résume souvent à des marges infimes, et ce n'est pas une mince affaire : c'est significatif.

Si vous doutez de la consommation d'énergie d'une pompe au ralenti, débranchez la conduite de vidange du carter au niveau du réservoir, laissez-la s'écouler dans un seau et observez la quantité de liquide qui s'échappe sans produire de travail. La chaleur visible dégagée par le liquide indique clairement que de l'énergie a été gaspillée sous forme de chaleur au lieu d'être utilisée de manière productive.

L'électronique sophistiquée à la rescousse

Vous serez peut-être surpris d'apprendre que nous pouvons désormais reproduire le fonctionnement d'une pompe hydraulique à compensation de pression et à détection de charge grâce à une électronique de pointe. Une pompe à compensation de pression ajuste le débit tout en maintenant la pression grâce à un compensateur – une petite soupape de décharge qui contrôle le fonctionnement du piston de commande, réduisant le volume de la pompe pour stabiliser la pression à un débit donné.

Par exemple, si votre pompe est réglée à 3 000 psi et conçue pour un débit maximal de 10 gpm, lorsque vous activez une soupape, le passage d'écoulement ouvert provoque une légère réduction de la pression de sortie, le fluide étant dirigé vers l'actionneur requis. La pompe continue de fournir du fluide pour maintenir le potentiel de 3 000 psi, que la charge nécessite ou non la pleine pression. C'est pourquoi ces systèmes sont parfois appelés systèmes à « pression constante ». Si la demande de débit dépasse 10 gpm, la pompe réduit la pression jusqu'à ce que le débit en aval soit ajusté ou arrêté.

Au lieu d'utiliser une pompe à compensation de pression traditionnelle, on utilise une pompe à cylindrée fixe entraînée par un moteur électrique à vitesse variable. On obtient le même résultat en intégrant un capteur de pression à la sortie de la pompe. La solution idéale consiste à utiliser un servomoteur synchrone compact, reconnu pour sa faible inertie et son contrôle précis de la vitesse et du couple. Au lieu de contrôler le volume de la pompe par une vitesse constante, on peut réguler le débit en faisant varier la vitesse angulaire du moteur (tr/min), obtenant ainsi la même pression et le même débit sans la complexité d'une pompe à compensation de pression classique.

Dans ce système, le contrôleur de la machine (généralement un automate programmable) surveille en permanence la pression à la sortie de la pompe, visant à maintenir la valeur de consigne de 3 000 psi. Si la pression descend en dessous de ce seuil, le contrôleur augmente la vitesse de la pompe pour injecter davantage de débit dans le système et augmenter la pression. De même, en cas de chute soudaine de pression due à une augmentation du débit, le contrôleur ajuste la vitesse de la pompe en fonction des nouvelles exigences, maintenant ainsi des performances optimales.

Le principal avantage de cette approche est que le moteur ne fonctionne que lorsque cela est nécessaire et à la vitesse requise, améliorant ainsi le rendement énergétique. Bien que les servomoteurs ne soient pas aussi efficaces à charge partielle et à régime variable que d'autres types de moteurs, cette configuration reste une solution bien plus économe en énergie que l'utilisation d'un moteur traditionnel à régime élevé constant, par exemple 2 500 tr/min pendant une journée de travail de 12 heures. Ce contrôle dynamique de la vitesse du moteur garantit que la machine n'utilise que la puissance nécessaire, réduisant ainsi la consommation énergétique globale et prolongeant l'autonomie de la batterie.

La technologie à cylindrée variable va encore plus loin

Les passionnés de fluides hydrauliques avisés remarqueront à juste titre qu'il est possible d'aller plus loin en utilisant une pompe hydraulique à détection de charge plutôt qu'une pompe à cylindrée fixe à vitesse variable. L'avantage d'une pompe à détection de charge réside dans sa capacité à réduire les pertes, notamment à haute pression. Au lieu d'injecter constamment 3 000 psi dans le système alors que l'application pourrait en nécessiter moins, la pompe à détection de charge fournit juste ce qu'il faut de pression supplémentaire – environ 300 psi, par exemple – pour garantir le débit potentiel.

La principale caractéristique d'un système à détection de charge est sa capacité à mesurer la pression aux orifices de travail en aval des vannes. Ainsi, la pompe ne génère que la pression nécessaire pour supporter la charge la plus élevée, sans plus. Cela évite toute surpression inutile, réduisant ainsi la consommation d'énergie et l'usure des composants.

En résumé, une pompe à détection de charge s'ajuste à la demande précise du système, optimisant dynamiquement le débit et la pression pour plus d'efficacité, plutôt que de fonctionner à une pression élevée fixe, source de gaspillage inutile pour la plupart des tâches de la machine. Il en résulte des économies d'énergie significatives, une meilleure autonomie des batteries des machines électriques et un système hydraulique globalement plus performant.

Je suis sûr que les passionnés de fluides ont déjà compris qu'il est possible d'obtenir le même résultat en utilisant un réseau de capteurs de pression plutôt que des clapets anti-retour et des vannes-séparateurs. En plaçant des capteurs de pression aux orifices de sortie des vannes de régulation, nous pouvons mesurer la perte de charge par rapport au capteur de sortie de la pompe. Ce dispositif capture la différence de pression sur l'ensemble du système, en tenant compte de toute vanne ou restriction sur le trajet d'écoulement. La tâche principale consiste à ajuster l'orifice de régulation au débit souhaité.

L'avantage d'un contrôleur de machine réside dans sa capacité à gérer toute cette complexité. Il est même possible de programmer des pertes de charge individuelles pour chaque actionneur. Par exemple, avec un vérin différentiel, plutôt que d'appliquer le même débit à la tige et au capuchon, il est possible d'ajuster le débit pour maintenir des vitesses d'extension et de rétraction identiques, le tout contrôlé électroniquement. Bien que cela puisse être réalisé hydrauliquement, c'est beaucoup plus simple et précis avec l'électronique.

En combinant tous ces éléments, nous avons créé un système de débit à la demande qui génère uniquement l'énergie hydraulique requise par la machine. En l'absence de fonction active, la seule consommation d'énergie est destinée aux écrans, aux éclairages et aux contrôleurs, ce qui permet à la batterie de fonctionner à son meilleur rendement.

Le moteur ne fonctionnant plus en permanence, nous pouvons également nous concentrer sur la réduction de la demande électrique globale du système hydraulique. L'utilisation de bobines solénoïdes de faible puissance, tout comme l'utilisation d'un système de contrôle haute tension, est ici une solution simple et efficace. Ces améliorations réduisent le besoin de câblage lourd, ce qui non seulement allège la machine, mais contribue également à une meilleure efficacité énergétique.

J'espère que vous, passionnés, avez remarqué dans le paragraphe précédent qu'il est possible d'obtenir le même résultat en utilisant un réseau de capteurs de pression plutôt que des clapets anti-retour et des vannes de régulation. En plaçant des capteurs de pression aux orifices de sortie des vannes de régulation, vous pouvez mesurer la perte de charge par rapport au capteur de sortie de la pompe. Cette configuration capture la variation de pression sur l'ensemble du système : toute vanne ou restriction sur le trajet d'écoulement est prise en compte dans le calcul de la pression. La tâche principale consiste à ajuster l'orifice de régulation au débit souhaité.

Avec un contrôleur de machine gérant tout cela, nous pouvons aller plus loin : la programmation individuelle de la perte de charge pour chaque actionneur. Cela inclut même les vérins différentiels. Au lieu de fournir le même débit (dicté par la perte de charge) des deux côtés du vérin, vous pouvez réguler le débit pour garantir les mêmes vitesses d'extension et de rétraction, le tout contrôlé électroniquement. Bien que cela puisse être réalisé hydrauliquement, l'électronique est bien plus simple et précise.

En combinant tous ces éléments, nous avons créé un système de débit à la demande qui génère uniquement l'énergie hydraulique nécessaire à la machine. Lorsqu'aucune fonction active n'est requise, le système consomme juste assez d'énergie pour alimenter les écrans, les éclairages et les contrôleurs.

Après avoir réduit la nécessité de faire tourner un moteur inutilement pendant des heures, nous pouvons également étudier des moyens de réduire encore davantage la demande électrique du système hydraulique. Les bobines solénoïdes de faible puissance sont une solution simple, tout comme l'adoption d'un système de commande haute tension. Ces améliorations réduisent le besoin de câblage lourd, ce qui non seulement allège la machine, mais améliore également l'efficacité énergétique globale.

Il peut être plus difficile de prendre certaines décisions difficiles, comme limiter ses options aux moteurs à piston. Si les pompes à engrenages internes constituent une alternative solide aux pompes à piston, la situation avec les actionneurs est un peu plus complexe. Les moteurs à faible vitesse et à couple élevé, souvent économiques, ne conviennent pas aux machines axées sur le rendement. Ces moteurs souffrent de fuites importantes, qui augmentent de manière exponentielle avec la pression, ce qui les rend peu adaptés aux applications alimentées par batterie.

Vous vous demandez peut-être : « Pourquoi ne pas simplement utiliser des moteurs électriques ?» Dans de nombreux cas, c’est une excellente option, car ils évitent la perte d’énergie inhérente à la séquence moteur-pompe-moteur, où chaque transformation génère des déchets. Cependant, si vous disposez déjà d’une pompe hydraulique fonctionnant efficacement grâce à des contrôleurs de machine intelligents, les moteurs d’entraînement hydrauliques offrent toujours des avantages significatifs.

De nombreux grands fabricants proposent désormais des moteurs à pistons atteignant un rendement de 95 %. Au risque de paraître hypocrite en prônant les bobines de faible puissance, ces moteurs sont trop performants pour être ignorés. Si votre machine exige le moteur le plus puissant et le plus compact possible, vous pouvez obtenir deux fois plus de couple avec un encombrement réduit de moitié sans vous ruiner.

Cela dit, le passage à un moteur électrique efficace peut encore améliorer l’autonomie de la batterie dans de nombreux cas. Même si j'ai du mal à croire ce que je dis, les temps changent. Mais attention : tous les moteurs électriques ne se valent pas, et beaucoup n'atteignent pas les 95 % de rendement. Soyez attentif au remplacement d'un moteur hydraulique, surtout si votre conception exige une résistance aux intempéries ou une immersion.

De grands acteurs du bâtiment et de l'agriculture développent déjà des machines électriques à batterie. Tout comme les véhicules électriques (VE), ces machines sont coûteuses et leurs capacités sont limitées par la technologie actuelle. Cependant, grâce à une conception intelligente et à l'attention portée aux détails économes en énergie, la part de marché des machines électriques à batterie devrait augmenter.