Le Mercedes Citaro électrique… fait de sa clim un atout majeur

Avec 50 000 Citaro déjà sortis d’usine, la gamme Citaro produite en série comprend actuellement des versions diesel, gaz ou micro-hybrides équipées, elles aussi, d’un moteur diesel ou gaz. Elle sera bientôt complétée par le nouveau Citaro électrique. Révélé à Stuttgart en mars dernier, ce modèle sera produit en série dès cette année et prendra son premier bain de foule à Hanovre lors de l’IAA (Internationale Automobil-Austellung), en septembre prochain.

Passer à l’électromobilité impose de reconsidérer totalement le transport urbain. Aussi, avant de mettre en service un Citaro électrique, une étude précise des conditions d’exploitation est nécessaire. Mercedes la propose à travers son service eMobility Consulting. Celui-ci formule des recommandations qui concernent notamment l’infrastructure de recharge, la consommation d’énergie, l’alimentation électrique du dépôt et la gestion de la recharge.

Après la mise en service, l’entretien et la réparation sont susceptibles d’être assurés par l’eMobility Service, version spécialisée d’Omniplus. Ses prestations s’étendent de l’encadrement classique de l’atelier chez l’exploitant, à la gestion du dépôt du parc d’autobus, en passant par des contrats de service. Mercedes propose ainsi l’intervention de ses techniciens sur les véhicules, tant pour des opérations ponctuelles que pour un suivi complet du véhicule ou de la flotte et cela, dans l’atelier du client.

Alors que le nouveau Citaro hybride utilise un circuit basse tension (48 V) qui n’impose pas de dispositions particulières pour la maintenance, le Citaro électrique emploie pour sa part du courant haute tension (400 V au niveau des moteurs, 750 V au niveau du circuit de charge). Il justifie donc une formation et des mesures de sécurité particulières.

Le Citaro électrique emprunte sa caisse à ses homologues thermiques et est, comme eux, assemblé à Mannheim. L’essieu moteur ZF et la direction électrohydraulique sont partagés avec des modèles déjà en service. L’architecture du toit, avec ses rails pour charges lourdes, est reprise du Citaro NGT dont la toiture est occupée, non par des batteries, mais par des bouteilles de méthane.

L’essieu arrière « portique » type AVE130 de ZF dégage le plancher et accueille un moteur par roue. Le véhicule dispose ainsi de deux moteurs asynchrones qui développent chacun 125 kW et 485 Nm, soit 250 kW (340 ch) et 970 Nm au total. Refroidis par liquide, ces moteurs se muent en alternateurs lors des phases de ralentissement et participent à la recharge des batteries. On parle alors de freinage par récupération. Grâce à la démultiplication, le couple appliqué aux roues atteint 11 000 Nm sur chaque roue motrice.

Sur le tableau de bord, le traditionnel compte-tours est remplacé par un puissance-mètre. Celui-ci indique la puissance consommée pour l’entraînement. Lors d’un ralentissement, le puissance-mètre indique l’énergie récupérée au freinage.

Les batteries lithium-ion sont divisées en modules répartis à raison de quatre modules à l’arrière (là où se trouve habituellement le moteur thermique), complétés par deux à six modules en toiture. Il y a donc six à dix modules en tout. Avec dix modules, la capacité s’élève à 243 kWh et le véhicule pèse 13,7 t à vide dont 2,5 t pour les batteries. Avec un PTAC de 19,5 t, la charge utile représente alors 5,8 t, soit quelque 80 passagers. En se contentant de six modules, on réduit à la fois le prix d’achat et la masse du véhicule, mais il peut être nécessaire d’effectuer des recharges intermédiaires, ce qui est très contraignant.

Andreas Mink et Roland Scharl, ingénieurs chez Daimler Buses, insistent sur la recherche permanente de nouvelles techniques pour les batteries, et sur l’adaptation du Citaro électrique à ces nouveautés à venir. Cette adaptation se fonde sur la modularité des packs de batteries et sur un choix pérenne d’interfaces.

Au-dessus du passage de roue avant droit, là où se situe habituellement l’orifice de remplissage du réservoir de carburant, se trouve le connecteur de recharge Combo 2 préconisé par l’industrie européenne. Cette prise inclut l’interface de communication nécessaire à une recharge rapide avec une forte puissance selon le principe CCS (Combined Charging System). La puissance du courant de recharge peut ainsi s’élever à 150 kW avec une intensité jusqu’à 200 A. À condition de disposer de cette puissance maximale, une heure et demie suffit à la recharge. En pratique, les chargeurs mobiles ont une puissance comprise entre 20 et 80 kW. Avec eux, le temps de charge varie donc entre 3 et 12 heures.

La communication entre la borne de recharge et le régulateur de charge embarqué s’effectue selon la norme ISO 15118. Cette interface permet de gérer la recharge de manière active et intelligente afin d’éviter des pics de consommation trop importants ou trop onéreux. Selon le cycle urbain normalisé SORT2 (Standardised On-Road Test cycles), le Citaro électrique est capable de parcourir 150 km en été avec un équipement de batteries complet.

Ultérieurement, le Citaro électrique pourra être adapté à la recharge intermédiaire par pantographe descendant depuis une potence (OppCharge). Les contacts seront placés en toiture, au niveau de l’essieu avant. Actuellement, la recharge par pantographe n’est pas encore normalisée. Elle devrait l’être en 2019 ou 2020 afin d’uniformiser à la fois les systèmes de positionnement du véhicule sous le système de recharge, et la communication entre le véhicule et l’infrastructure pendant le processus de recharge.

L’autonomie d’un véhicule électrique dépend, entre autres, de la profondeur de décharge qu’il s’autorise (ou DoD, Depth of Discharge). Cette DoD correspond au rapport entre la quantité d’énergie prélevée et la capacité totale de la batterie. Une DoD importante augmente l’autonomie, mais elle réduit la longévité de la batterie. Le Citaro électrique permet d’ajuster la DoD selon un profil d’utilisation déterminé.

La compensation de charge (Battery Balancing) maintient un niveau de tension uniforme entre les cellules des batteries. Ce dispositif est nécessaire à une exploitation efficace des batteries ainsi qu’à leur longévité.

Au cours de la phase de mise au point, une douzaine de prototypes ont été confrontés à des conditions climatiques extrêmes, à des sols verglacés et à des déclivités accentuées. La consommation d’énergie d’un bus électrique est influencée de manière décisive par l’utilisation de la climatisation ou du chauffage. Avec une température extérieure de -10 °C, le chauffage d’un bus électrique consomme autant d’énergie que sa propulsion. Son autonomie est donc divisée par deux par rapport à un trajet réalisé sans chauffage. À la différence d’un véhicule à moteur thermique, un véhicule électrique ne peut pas profiter de la température du liquide de refroidissement pour se chauffer. Pour ne rien arranger, un bus s’arrête en moyenne tous les 400 m, ouvre ses portes et laisse alors entrer une grande quantité d’air ambiant, trop chaud ou trop froid, que le chauffage et la climatisation devront compenser.

Il est donc indispensable d’optimiser la consommation d’énergie du chauffage et de la climatisation à bord d’un bus électrique. Comparée à celle d’un Citaro actuel à moteur thermique, cette consommation a été réduite de 40 % à bord du Citaro électrique grâce à de multiples améliorations. Précisément, l’économie est de 25 % pour la climatisation et de 50 % pour le chauffage.

Le chauffage ou la climatisation peuvent être activés avant le début du service commercial, alors que le véhicule est connecté à son poste de charge (pré-conditionnement avant départ). Pour économiser de l’énergie, le Citaro électrique est chauffé par une pompe à chaleur. Celle-ci exploite les effets de la transition de l’état liquide à l’état gazeux et réciproquement. Il est également équipé de radiateurs latéraux soufflants et d’un module de chauffage à l’avant avec double échangeur thermique. Les différents organes de chauffage sont pilotés afin d’ajuster au mieux leur consommation d’énergie. Le nombre de passagers à bord fait partie des paramètres d’ajustement du système de chauffage. En pratique, le véhicule estime sa charge à partir de capteurs sur ses suspensions.

Considérant que la tenue vestimentaire des passagers est adaptée à la saison, la température de référence à bord est légèrement abaissée en hiver et relevée en été. La climatisation du poste de conduite est traitée indépendamment afin d’y maintenir 24 °C indépendamment des conditions extérieures.

En toiture, le bloc de climatisation est utilisé comme pompe à chaleur par temps froid. Quant à l’emploi du CO₂ comme frigorigène, elle permet une exploitation efficace de la pompe à chaleur, même à basse température. Cet emploi du CO₂ est très novateur sur un véhicule de série. D’un point de vue environnemental, rappelons que les frigorigènes classiques sont, en cas de fuite, des gaz à effet de serre beaucoup plus dangereux que le CO₂.

Pour faire face à des conditions exceptionnelles ou pour augmenter l’autonomie du véhicule, il est possible de compléter le système de chauffage avec un brûleur fonctionnant au gazole. Cet équipement apparaît cependant décalé vis-à-vis des objectifs poursuivis par un véhicule électrique.

Membre de la famille Citaro, sa version électrique est proposée avec les mêmes options d’aménagement que les modèles thermiques. La version 12 m peut ainsi recevoir deux ou trois portes latérales ainsi que les différentes variantes de sièges proposées au catalogue.

Un bus vit dix à douze ans en flotte. Pour 2030, lorsqu’il s’agira de remplacer les actuels Citaro électriques, Mercedes prévoit qu’il sera possible de proposer des véhicules de transport en commun offrant 400 km d’autonomie grâce à l’augmentation de la densité énergétique des batteries. Tout cela ne nous dit pas comment produire massivement l’électricité réellement verte qui fera de l’électromobilité un mode de transport effectivement vertueux.

Dans le domaine du bus électrique, un grand constructeur européen comme Mercedes occupe une position intermédiaire entre les mastodontes chinois, et bientôt coréens, qui produisent déjà des bus électriques à raison de plusieurs milliers d’unités par an, et les acteurs européens de second plan comme Bolloré, Heuliez, Irizar, Van Hool ou VDL. L’avance des Chinois s’explique en partie par leur volonté de limiter leurs importations de pétrole. Disposant de charbon en quantité, l’État chinois l’utilise pour produire de l’électricité et alimenter des véhicules électriques. L’exploitation de bus électriques en Chine est donc une aberration écologique comme elle l’est là où l’électricité n’est pas décarbonée. L’envergure du marché chinois entraîne cependant des volumes de production qui donnent le vertige et induisent des économies d’échelle. Face à cela, les industriels européens seraient bien inspirés de s’unir sous la forme d’une espèce d’« Airbus » du bus électrique. Créé à la fin des années 1960, Airbus a fédéré l’aéronautique européenne et lui permet aujourd’hui de faire jeu égal face à son concurrent américain. S’unir pour survivre semble donc nécessaire.