VEHICULES ELECTRIQUES, HYBRIDES ET A PILE A COMBUSTIBLE. Pierre Duysinx Université de Liège Année Académique

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1 VEHICULES ELECTRIQUES, HYBRIDES ET A PILE A COMBUSTIBLE Pierre Duysinx Université de Liège Année Académique

2 Références bibliographiques R. Bosch. «Automotive Handbook». 5th edition Society of Automotive Engineers (SAE) C.C. Chan and K.T. Chau. «Modern Electric Vehicle Technology» Oxford Science Technology R. Kaller & J.-M. Allenbach. Traction électrique. Presses Polytechniques et Universitaires Romandes. Vol 1 et Le véhicule électrique. Educauto. 2

3 Plan de l exposé Introduction Historique Traction électrique des véhicules routiers Traction électrique des véhicules ferroviaires Architecture de la chaîne de traction électrique Motorisation électrique centralisée Motorisation électrique distribuée Hybride 3

4 Plan de l exposé Véhicules hybrides: définition et catégories Véhicule hybride Véhicule hybride électrique Catégories: hybrides séries, parallèles, complexes, full et mild, charge depleting et charge sustaining Piles à combustible Principe de fonctionnement d une pile à combustible H 2 O 2 La pile réelle: rendement Applications mobiles 4

5 Introduction et historique 5

6 Historique Voiture électrique La voiture électrique existe depuis l avènement de l automobile à la fin du 19 ème siècle Après une période d hésitation qui dure jusque dans les années 1930, le moteur à combustion interne a gagné la course de la meilleure motorisation des véhicules routiers Le moteur électrique possède des caractéristiques intrinsèques bien supérieures sur certains aspects au moteur thermique: Puissance constante Pas de vitesse de ralenti Maintenance facile Fiabilité 6

7 Historique Voiture électrique Toutefois, le système de stockage de l énergie électrique basé sur des batteries se révèle largement inférieur au pétrole: Haute densité d énergie spécifique, donc plus grande autonomie Facilité de maintenance Peu cher Abondant Aujourd hui alors que l on croyait le moteur électrique oublié pour les véhicules routiers, le moteur thermique est victime de son succès et de celui de l automobile: Diminution des ressources de pétrole Émissions de CO 2 Émissions de polluants issus de la combustion 7

8 Historique Voiture électrique Au début du 21ème siècle, le moteur électrique pourrait donc bien devenir le vainqueur final. En effet, pour maintenir le système de transport individuel, on a besoin de véhicules: Moins polluants Moins bruyants Moins consommateur d énergie 8

9 Historique 1839: Robert Anderson (Aberdeen) construit la première voiture électrique 1870 : Sir David Salomon développe une voiture avec un petit moteur électrique et de grosses batteries. La vitesse et l autonomie sont faibles : Amélioration significative des batteries acide-plomb par Tudor et nickel-fer par Edison et Junger. 1898: Ferdinand Porsche, âgé de 23 ans, construit sa première voiture la Lhoner Electric Chaise. C est la première traction avant. La seconde voiture est un véhicule hybride utilisant un moteur à combustion interne pour faire tourner une génératrice qui fournit l énergie électrique pour des moteurs situés dans le moyeux des roues 9

10 Historique Voiture électrique 1899 : La première voiture à dépasser le cap des 100 km/h (105,88 km/h) est électrique. Son nom : la «Jamais contente». Conduite par le pilote belge Camille Jenatzy, elle est conçue en partinium (aluminium laminé) et carrossée par Rothschild 10

11 Historique 1899: Un constructeur liégeois, Pieper, introduit une «voiturette» 3,5 chevaux vapeurs dans laquelle le petit moteur à essence est couplé à une moteur électrique sous les sièges. Dès Henri Pieper crée les automobiles pétroléo électriques, premières voitures combinant une motorisation thermique avec un moteur électrique Les brevets de Pieper sont utilisés par une firme belge Auto-Mixte (située à Nessonvaux), qui construit des véhicules commerciaux entre 1906 et

12 Historique Lorsque la voiture est en régime de croisière, les moteurs électriques travaillent comme des génératrices pour recharger des batteries. Lorsque la voiture gravit une pente les moteurs électriques qui sont montés de manière co-axiale avec le moteur thermique peuvent donner une surplus de puissance. Son idée est d utiliser le moteur électrique pour assister le moteur à combustion interne, ce qui lui permet d atteindre la vitesse de 25 mph. 12

13 Historique 1904: Henry Ford supprime les inconvénients de moteurs à pistons et commence la production en série de véhicules thermiques à des prix relativement bas 1910: Une firme construit un camion hybride qui utilise un moteur à 4 cylindres actionnant une génératrice, ce qui élimine la nécessité d une transmission et d un pack de batteries. Les camions hybrides sont construits jusqu en : Avec l avènement du démarreur autonome (facilitant le démarrage des moteurs à pistons) le moteur à pistons balaie les véhicules à vapeur et les véhicules électriques. 13

14 Historique 1913 : Ford vend Ford T, une voiture à essence alors que les ventes totales de véhicules électriques tombent à unités : Période de sommeil pour la production de véhicules électriques et hybrides. 1966: Le Congrès américain introduit les premiers billets recommandant l utilisation des véhicules électriques pour réduire la pollution urbaine. 1973: Premier choc pétrolier. Le prix du carburant qui monte ravive l intérêt pour les véhicules électriques. 14

15 Historique 1982: «All about Electric & Hybrid Cars». Robert J. Taister souligne que les problème des batteries pourrait être résolu en installant une génératrice pour charger automatiquement les batteries lorsque la voiture est en descente. 1991: The United States Advanced Battery Consortium (USABC) et un département de l Énergie démarre un programme pour produire des «super»batteries pour aboutir à des véhicules électriques viables. L USABC investit $90 Millions dans les batteries NiMH qui peuvent faire 3 plus de cycles que les batteries acideplomb et peuvent travailler mieux dans des conditions froides. 1992: Toyota signe la «Charte de la Terre» pour développer des véhicules avec les plus faibles émissions possibles 15

16 Historique 1997: Toyota sort la Toyota Prius au Japon. La vente lors de la première année est de véhicules 16

17 Historique : Quelques véhicules électriques produits par des grands constructeurs sont introduits en Californie (Honda Civic EV, GM EV1, S10 electric pick-up, Ford Ranger, Toyota RAV4 EV). En dépit de l enthousiasme des quelques acheteurs, les ventes ne dépassent pas les quelques centaines d unités. La vente des véhicules tout électriques est abandonnée en quelques années. 17

18 Historique 1999: Honda sort la Honda Insight, le premier véhicule hybride vendu sur les USA. 2000: Toyota introduit la Prius I aux USA. 2002: Honda propose la Honda Civic hybride son deuxième modèle hybride. Il a l apparence des Honda Civic ordinaire et le même plaisir de conduite. Prius I Honda Insight Honda Civic 18

19 Historique 2004: La Toyota Prius II récolte de nombreux prix, dont celui de la voiture de l année. A la grande surprise de Toyota, la voiture est vendue plus de exemplaires la première année sur le marché américain. 2005: Sortie du Ford Escape, premier SUV hybride. Il est suivi de la sortie de Lexus RX400h, du Lexus GS300h etc. Toyota Prius II Lexus RX400h Ford Escape 19

20 Historique 2008: la crise financière frappe durement les constructeurs automobiles. Les aides des états sont largement conditionnées par la création de véhicules propres. 2008: L achat de véhicules propre est largement subventionnée. En Belgique remise de 15% sur les véhicules de moins de 99gCO2/km : Contrairement aux attentes, les constructeurs se lancent dans le développement de véhicules électriques purs : Les véhicules hybrides attendent l arrivée des véhicules hybrides rechargeables à la prise pour réaliser effectivement des scores environnementaux plus favorables 20

21 Historique: véhicules électriques Renault Twizzy, Zéro, Fluence, Kangoo Nissan Leaf Mitsubishi Miev, Citroën C- zéro, Peugeot ion Smart EV Tesla 21

22 Historique Evolution des véhicules électriques vers des véhicules plus petits (catégories L7) 22

23 Historique : Les cycles et quadricycles Reva electric Renaul Twizzy Zen car Vélo électrique Segway Scooter électrique 23

24 Historique: Hybrides plug-in Opel Ampera Toyota Prius Plug-in hybrid Imperia GP 24

25 Historique Voiture électrique 2010: Sales and market forecast 25

26 Historique Voiture électrique Vente de véhicules électriques (VE + PHEV) : Jusqu à 26% des ventes de véhicules en Belgique en

27 Historique Voiture électrique Forecast by ERTRAC strategic agenda 27

28 Véhicules électriques 28

29 Chaînes de traction électrique Actuellement trois solutions de véhicules existent et se différentient par leur chaîne de traction TRACTION ELECTRIQUE Montage sur véhicules légers de série, poids lourds, chariots élévateurs, tracteurs aérogares, tracteurs de bagages et deux roues 29

30 Chaîne de traction électrique Batteries: Acide Plomb, Nickel Cadmium, Ni MH (métal hydrures), Li Ions Electronique de puissance Hacheur, convertisseur DC / DC, etc. Onduleur Moteurs : conversion énergie électrique en énergie mécanique DC shunt ou série ou excitation indépendante AC asynchrone ou synchrone / monophasé ou triphasé Transmission Réducteur Différentiel Roue 30

31 Moteurs électriques pour véhicules routiers Avantages: Pollution directe nulle, application urbaine Faibles émissions de bruit Transmission très simple (pas de boîte de vitesses), régulation en vitesse et en effort Freinage récupératif Grand couple à bas régime Souplesse de fonctionnement Solution idéale si alimentation possible (ex caténaire des trains) Désavantages: Poids et coût des batteries Rayon d action limité (200 km max) 31

32 Moteurs électriques F = i dl B Principe de fonctionnement d un moteur DC 32

33 Moteurs électriques à courant continu Principe de fonctionnement d un moteur DC 33

34 Moteurs électriques à courant continu Principe de fonctionnement d un moteur DC 34

35 Moteurs électriques à courant continu Principe de fonctionnement d un moteur DC 35

36 Moteurs électriques à courant continu Avantages du moteur courant continu: Technologies bien maîtrisée Contrôle bien connu: pilotable en vitesse à partir d une source continue Rhéostat PWM Utilisation des moteurs CC série sur les premiers véhicules électriques, tramways, etc. Désavantage: Usure des balais (charbon): remplacement après 3000 h de fonctionnement Tension d alimentation limitée Puissance massique faible Rendement médiocre (80-85%) Perte au rotor: très difficiles à éliminer 36

37 Électronique de puissance pour moteurs électriques DC Principe de fonctionnement d un hacheur de courant 37

38 Électronique de puissance pour moteurs électriques DC Le système est simple et économique Le contrôle du hacheur est réalisé par un microprocesseur La commande est généralement réalisée par ce qu on appelle la Modulation de Longueur d Impulsion (PWM en anglais) n Une restriction majeure réside dans la température du moteur ey de la batteries 38

39 Moteurs électriques asynchrones AC Principe de fonctionnement d un moteur AC 39

40 Moteurs électriques asynchrones AC Courant triphasé Avec le déphasage spatial des bobines, création d un champ magéntique tournant à la fréquence d alimentation Si on pilote la fréquence du courant, on pilote la vitesse du moteur Le couple du moteur provient du glissement entre le rotor par rapport au champs magnétique (effet de friction magnétique) Intrinsèquement rendement inférieur à 100% 40

41 Moteurs électriques asynchrones AC 3-f 41

42 Moteurs électriques asynchrones AC 3-f 42

43 Moteurs électriques asynchrones AC 3-f 43

44 Moteurs électriques asynchrones AC 3-f Avantages Prix (pas d aimant au rotor) Robustesse (rotor=cage d écureuil, pas de balais) Puissance massique (kw/kg) Refroidissement externe (air ou eau pour éliminer les pertes au rotor) Grande vitesse de rotation Fiabilité excellente et maintenance faible Inconvénients Rendement plus faible que PM motor Commande vectorielle du moteur (I,V,f) complexe et couteurse 44

45 Électronique de puissance pour moteurs électriques Principe de fonctionnement d un onduleur de courant 45

46 Electronique de puissance pour moteurs AC En traction électrique, l ONDULEUR est un convertisseur continu-alternatif, qui permet d obtenir trois phases de courant alternatif, décalée de 2p/3 (120 ), de fréquence variable entre 0 et 50 Hz à partir d un courant continu de batterie. Ce type de convertisseur fait varier la fréquence et permet d obtenir une vitesse de rotation variable. Ce procédé possède une puissance et rendement correct à tout régime. La fréquence fixe la vitesse de rotation tandis que la tension fixe le couple. 46

47 Moteur AC synchrone Historiquement utilisés comme génératrice Plus récemment les moteurs synchrones s imposent comme moteurs de traction dans les véhicules Commande compliquée nécessitant une électronique perfectionnée Les moteurs synchrones conservent le principe d un champ tournant créé par le bobinage statorique Création d une induction fixe au rotor Soit par des enroulements Soit par un aimant permanent Le rotor tourne à la même vitesse que champ du stator 47

48 Moteur AC synchrone 48

49 Moteur AC synchrone Création du champ rotorique Bobinage (moteur synchrone à rotor bobiné) Variation du champ rotorique par un hacheur (comme pour un moteur à CC) Permet un pilotage optimisé à haut vitesse de rotation Contacteurs électriques avec bagues et hacheur Coût supplémentaire et fiabilité plus faible 49

50 Moteur AC synchrone Création du champ rotorique Aimants permanents (moteur synchrone à aimants permanents) Rendement très élevé Densités massique (3kW/kg) et volumique importantes Fiabilité et maintenance semblable au moteur asynchrone 50

51 Moteur AC synchrone Création du champ rotorique Aimants permanents (moteur synchrone à aimants permanents) Commande délicate: démarrage, à-coups à bas régime Possibilité de désaimantation en phase de fluxage et à haute température Aimants permanents terres rares: accès aux ressources? Exemples: Néodyme Fer Bore (NdFeB) Samarium Cobalt (SmCo) Aluminium, Nickel, Cobalt (AlNiCo) 51

52 Moteur AC synchrone Moteur PM UQM 52

53 Moteur AC synchrone à aimants permanents 53

54 Moteurs électriques de traction: comparaison MOTEURS DC Moteurs série ou à excitation séparée Prix reste assez élevé Fiable, + entretien (balais), Poids + important Régime max limité Bon rendement Hacheur (chopper) commandé en PWM MOTEURS AC Moteur asynchrone Régime max élevé, Peu d entretien, Haute fiabilité Poids moindre Rendement supérieur Moteur synchrone Entretien faible Rendement élevé Fiabilité élevée Coût important Régime max moyen Onduleur (inverter) à commande vectorielle (f,i,v) 54

55 Les batteries de traction Acide Plomb: Connues depuis 1900, maturité industrielle Ni-Cd : Connues depuis 1930, maturité industrielle NiMH: seconde moitié du 20 ème siècle Similaire aux batteries NiCd, mais densité d énergie et de puissance supérieure Charge plus rapide Standard industriel dans EV et HEV Li-Ions: depuis 1990, prototype Intercalation d ions Lithium tantôt à l anode en carbone tantôt à la cathode en oxyde métallique Meilleure densité d énergie et de puissance Requiert un contrôle précis de la tension (inflammation) 55

56 Batteries Acide Plomb Décharge Pb SO PbSO e Anode (électrode négative) PbO 4H SO 2e PbSO 2H O Cathode (électrode positive) 56

57 Batteries Ni Métal Hydrure (NIMH) Un métal spongieux absorbe et restitue les atomes d hydrogène Charge MH 2 M + 2H 2 H + 2 OH - 2 H 2 O + 2 e - K + + OH - + H 2 O KOH + H 2 O 2 NiO(OH) + 2 H 2 O + 2e- 2Ni(OH) 2 + 2OH - Décharge 57

58 Batteries Li Ions Echange par intercalation d ions lithium entre une anode en carbone et une cathode formée d un oxyde métallique LixC Li1 xm yoz C LiM yoz Li( y x) C6 Li[1 ( y x)] CoO2 LiyC6 Li(1 y) CoO2 58

59 Les batteries de traction Critères de performance et de choix (par ordre décroissant d importance): Energie utilise spécifique (W.h/kg) Puissance spécifique (W/kg) Recharge : nombre de cycles Durée de vie Coût spécifique Rendement charge décharge Tension et encombrement Recyclabilité 59

60 Les batteries Batteries Pb Acide Ni-Cd Ni-MH Zebra Li-Ions Energie utilie spécifique [W.h/kg] Puissance spécifique [W/kg] Rendement charge décharge [%] Durée de vie [cycles] Coût spécifique [ /kw.h] 0,339 0,508 1,159 0,781 0,734 60

61 Le problème des batteries 61

62 Le problème des batteries Carburant Essence Diesel Li-Ions Énergie spécifique du carburant [W.h/kg] Rendement moyen [%] Énergie spécifique à la roue [W.h/kg] Facteur 200! 62

63 Supercapacité Condensateur = Condensateur électrostatique Composant essentiel en électronique Capacité ~ pf to µf Super capacité à Double Couche Électrolytique (EDLC) or ultra / supercapacitors Capacité ~ F kf Principe: double couche électrolytique de Helmotz Très hautes capacités obtenue en minimisant la distance entre porteurs de charge et en maximisant la surface d interface 63

64 Supercapacité Double couche électrochimique à l interface électrolyte -électrodes Électrodes poreuses (charbon actif): surface de contact électrolyte - électrodes (A) plus élevée (3000m 2 /g) Distance d très courte entre les charges opposées dans chaque couche (de l ordre de 0,3 à 0,5 nanomètres) Mais tension de cellule assez faible: 1 à 2.5V C E r A d 1 CV

65 Supercapacité Les supercapacités se distinguent des autres classes de systèmes de stockage d énergie comme les batteries Supercapacités Absorption/restitution d énergie à très grande vitesse: Densité de puissance ~ 1-10 kw/kg Moins bonne densité d énergie (< 10 Wh/kg) Grand courant de charge / décharge : 1000 A Grande durée de vie: > cycles de charge décharge Meilleures performances de recyclage 65

66 Batteries Diagramme de Ragone 66

67 Rendement charge/décharge v.s. #cycles 67

68 Coût d investissement 68

69 Systèmes de Stockage Hybride : Batteries + Super capacités Réduction des fort courants par la supercapacité Augmentation de la durée de vie Augmentation de la capacité de récupération des pics d énergie (freinages importants) 69

70 Exemples Voiture: masse 1400 kg, v 0 = 120 km/h, a x =6 m/s² Energie à absorber par le système de freinage Temps d arrêt v a u t : W = t s Puissance moyenne 1 m V 0 2 = ( 3 3 : 3 ) 2 = J = V 0 = a x = 3 3 : 3 = 6 = 5 : 5 s P = W = t s = = 5 : 5 = W ' C V Puissance maximale= 2 * Puissance maximale = 282 kw 70

71 Exemples Camion: masse kg, v 0 = 60 km/h, a x =5 m/s² Energie à absorber par le système de freinage Temps d arrêt 1 W = m V 2 0 = 2 est de Puissance moyenne ( 1 6 : 6 ) 2 = J t s = V 0 =a x = 16:6=5 = 3:33 s P = W = t s = = 3 : 3 3 = W ' C V 71

72 Effet de la profondeur de décharge Les décharges profondes endommagent les batteries et diminuent significativement la durée de vie L. Serraro, Z. Chehab, Y. Guezennec and G. Rizzoni, An Aging Model fo NI-MH Batteries for Hybrid Electric Vehicles, IEEE VTS Vehicle Power and Propulsion Conference, July,

73 Effet de la température En condition de froid sévère, le véhicule électrique peut perdre jusqu à 50% de sa puissance Puissance en fonction de la température d après Steven Vance, Parallel-Cell Connection in Lithium-Ion Battery, Kettering University Senior Thesis, 12/08 73

74 Effet de la température La batterie doit être finement régulée en température. Un fonctionnement à haute température dégrade fortement la durée de vie D après L. Serraro, Z. Chehab, Y. Guezennec and G. Rizzoni, An Aging Model fo NI-MH Batteries for Hybrid Electric Vehicles, IEEE VTS Vehicle Power and Propulsion Conference, July,

75 Nécessité d une boîte de vitesses? L idée est d utiliser la chaîne de traction des moteurs à combustion pour lesquels la boîte de vitesse est indispensable pour adapter les caractéristiques du moteurs aux conditions de fonctionnement (vitesse, couple) Pour les moteurs électriques, la question semble maintenant claire: on peut travailler avec un rapport de réduction unique Motivations: La grande plage de fonctionnement des moteurs L existence de contrôleurs électroniques pour faire varier le couple et la vitesse L absence de boîte conduit à un fonctionnement souple et doux Les réducteurs planétaires permettent d atteindre des rapports de réduction importants en un seul étage avec un bon rendement 75

76 Nécessité d une boîte de vitesses? Le coût d un moteur électrique dépend beaucoup du couple maximum Ainsi il est avantageux d utiliser un réducteur de vitesse le plus grand possible entre le moteur et les roues Généralement on adopte un réducteur de vitesse à un ou deux étages en fonction: des capacités de pente maximale franchissable de la vitesse maximale que l on peut atteindre avec le couple maximum de la plage de vitesse de fonctionnement 76

77 Réinventer le concept de véhicule avec la motorisation électrique! Avec des moteurs électriques il est possible d imaginer mettre un moteur sur chaque degré de liberté (roue ou essieu) à actionner selon un principe qui est maintenant cher à la mécatronique L idée d une motorisation électrique permet de remettre en cause l existence de plusieurs organes mécaniques: embrayage, boîte de vitesses, différentiel mécanique L arrangement des volumes est alors fortement dominé par la position des batteries et pas par celle du moteur. On imagine aujourd hui de nouveaux concepts de mobilité 77

78 Motorisation unique ou répartie? Avantages: Réduction de poids et d encombrement possible Différentiel permet de contrôler la vitesse et le couple aux roues de manière totalement arbitraire D où performances supérieures en virage possible par exemple Désavantages: Utilisation de composants électroniques additionnels: Fiabilité plus faible du système? Coût supplémentaire Complexité du contrôle 78

79 Moteurs roues? Motor wheel specifications in brief (other versions are available) Peak Power 80 kw 107 hp Nominal 18.5kW (25hp) Peak torque 670 Nm 494 lb ft Nominal 950 rpm 180 Nm (133lbft) Peak speed: 1385 rpm Max continuous speed: 1235 rpm Efficiency under continuous 950rpm 96.3 % Maximum supply voltage 500 VDC Moteur roue TM4 79

80 Moteurs roues? The V-Flow system. Vertical gas flow, vertebral layout, volumeefficient. Note the cutaway of the rear wheel showing the in-wheel motor. Moteur roue de 25 kw Nouvelle Honda FCX à pile à combustible 80

81 Régime intermittent et continu Une différence fondamentale dans le dimensionnement d un moteur électrique et un moteur à combustion interne réside dans la distinction entre régime intermittent et régime continu ou permanent. Le régime intermittent est relatif aux performances pendant un temps court. Il est dominé par la puissance maximum admissible du contrôleur de puissance. Le régime continu est défini comme étant la sortie du système pour une période d une demi heure au moins dans le cas des véhicules routiers. Il est limité par l échauffement du moteur et la température maximale admissible. 81

82 Ordres de grandeurs pour les véhicules routiers Véhicule électrique pur (m=1200 kg) P IC = 0 kw P élec = 75 kw V = V Véhicule hybride série (m=1373 kg) P IC = 41 kw P élec = 75 kw V = V Véhicule hybride parallèle (m=1330 kg) P IC = kw P élec = kw V = V 82

83 Ordres de grandeurs pour les véhicules routiers Véhicule hybride parallèle (Bus : m= kg) P IC = 170 kw P élec = 190 kw V = 600 V 83

84 Bornes de recharge 84

85 BORNES DE RECHARGE Différentes bornes Bornes de recharge dans le garage Bornes publiques Bornes dans les stations service En moyenne on recommande: 1.3 bornes par véhicule Bornes à la maison ou dans le dépôt: recharge lente Bornes publiques: accueil de visiteurs, de clients Bornes rapides (quelques unes) / bornes lentes (la plupart) 85

86 Recharge des Véhicules Electriques Concept de «recharger lors des arrêts» au lieu de «s arrêter pour recharger» Arrêts de longue durée (nuit au domicile, journée sur le lieu de travail) recharge lente et complète (6 à 8 heures) sur une installation domestique ou spécifique. Arrêts plus courts (parking, centre commercial, pause du déjeuner...) : recharge accélérée (1 à 2 heures) sur borne spécifique. Arrêt s'impose pour recharger (cas d'un long trajet ou d'un usage professionnel intensif, comme les taxis ou certaines flottes de véhicules) : recharge rapide (15 à 20 minutes). 86

87 Recharge des Véhicules Electriques Recharge normale = lente (6 à 8 heures) Puissance 3,3kW Un chargeur de batterie est intégré à la voiture. Un câble de recharge permet de le brancher sur le réseau électrique pour l'alimenter en courant alternatif 230 volts. Prise normale possible (10 ou 16 A) Si usage régulier, un boîtier spécifique est nécessaire pour la sécurité et la durabilité 87

88 Recharge des Véhicules Electriques Recharge accélérée (1 à 2 heures) ou rapide ( 15 minutes) Accélérée (généralement 22 kw): utilise le chargeur intégré au véhicule, dont la conception permet de charger de 3 à 43 kw en 230 V monophasé ou 400 V triphasé (63A). 80% de la batterie en 1 heure Nécessite au moins les connecteurs de type 3 ( tendant à disparaitre) et plus généralement de type 2 (nouveau standard EU) Rapide (>43kW) : utiliser un chargeur externe, qui assure la conversion alternatif/continu et charge le véhicule à 50 kw Courant alternatif (AC), puissance 43 kva (400 V / 63 A) connecteur type 2 en courant continu (DC) au standard CHAdeMO, puissance de recharge de 50 kw (500 V / 100 A) Connecteur de type 4 (YAMAZAKI) 88

89 Modes de recharge Mode 1: Prise fixe non dédiée Mode 2: Prise non dédiée avec dispositif de protection incorporé au câble. Mode 3: Prise fixe sur circuit Mode 4: Connexion CC dédié (wall box). Images : wikipedia 89

90 Station de recharge pour VE Le circuit de recharge dédié imposé dans le «Mode 3» défini dans la proposition de norme IEC , «Electric vehicle conductive charging system» Permet de garantir une sécurité maximale des utilisateurs lors de la recharge de leur véhicule électrique. Un contrôleur de recharge, côté infrastructure, permet de vérifier: Véhicule est bien connecté au système. Masse du véhicule est bien reliée au circuit de protection de l installation. Cohérence des puissances entre le câble, le véhicule et le circuit de recharge. Détermination de la puissance maximale de recharge qui sera allouée au véhicule. 90

91 Station de recharge pour VE Prise du côté véhicule: Type 1: uniquement charge lente ( <8 kw / 220 V / 16 A) Type 2 «Mennekes» charge accélérée (22kW-43kW / 70A mono ou 63 triphasé / 400 V) Prise côté borne: Fournir du courant alternatif triphasé ou monophasé vers une prise "type 2" côté véhicule Type 3 permettant la recharge lente ou accélérée est recommandée (mono ou triphasé / 32 A / 500 V /16-27kVA) Type 2 (mono ou triphasé / 70 A -63A/ 500 V /35-54kVA) 91

92 Intégration du VE et PHEV dans le réseau Mehdi Ferdowski, Plug-in Hybrid Vehicles A vision for the Future, 2007 IEEE VPPP 92

93 Intégration du VE et PHEV dans le réseau Le courant de nuit est le carburant des véhicules électriques Thomas Schneider, Transportation Efficiency Through Electric Drives and the Power Grid, Capitol Hill Forum, Plug-in Hybrid Electric Vehicles: Towards Energy Independence, July 10,

94 Intégration du VE et PHEV dans le réseau Une idée noble: le véhicule électrique doit utiliser le renouvelable pour être propre 94

95 Intégration du VE et PHEV dans le réseau Les batteries des VE et des PHEV sont une source de puissance de réserve pour niveler les pics de demande de puissance dans le réseau Harold Adams, Planning Considerations for a Carbon Constrained Grid, 10/

96 Véhicules hybrides 96

97 Véhicules hybrides Définition d un véhicule hybride: un véhicule hybride est un véhicule qui combine l utilisation et le stockage de deux ou de plusieurs sources d énergie. Sources d énergie possibles: Chimique : énergie du carburant transformée en énergie mécanique avec un moteur thermique par exemple Électrique: batteries, moteurs électriques Cinétique: volants d inertie Élastique: sous forme hydraulique ou pneumatique Nucléaire 97

98 Véhicules hybrides Commentaires Définition extrêmement vaste Le concept est extrêmement vieux dans les moyens de transport: Une moped (un vélomoteur à pédale) est un véhicule hybride: il peut être mu soit par le moteur ou soit par la force musculaire La plupart des locomotives sont diesel-électriques, mais rares sont celles qui peuvent stocker l énergie Il existe des bus ou des trolley bus électriques avec une moteur diesel Les engins d exploitation de mine sont des diesels électriques ou diesels hydrauliques Les sous-marins sont soit des hybrides nucléaires électriques soit des diesels électriques 98

99 Véhicules hybrides Pour les véhicules routiers: La source d énergie principale est généralement un moteur à combustion interne (moteur à pistons) La source d énergie auxiliaire ou secondaire est : électrique (le plus souvent) hydraulique pneumatique cinétique Dans l avenir la source d énergie principale pourrait être aussi une pile à combustible 99

100 Source d énergie principale Motorisations alternatives au moteur à combustion interne Possibilité de faire fonctionner le moteur à charge constante et vitesse de rotation fixe Regain d intérêt sur les turbine à gaz, et les moteurs à vapeur 100

101 Source d énergie principale A moyen ou long terme, the piles à combustible peuvent servir de convertisseur d énergie principal: Technologie en pleine évolution positive Pile à Hydrogène ou au méthanol Problèmes principaux: le système de stockage ou de reformage du carburant Le réseau de distribution et de vente Autres problèmes: la fiabilité et le temps de vie 101

102 Véhicules hybrides Véhicule hybride électrique: une véhicule dans lequel l énergie de propulsion est disponible sous deux ou plusieurs formes ou plusieurs types de stockage, sources ou convertisseurs et dont au moins une d elles peut délivrer de l énergie électrique (Chan, 2002) Idem, hybrides hydrauliques. 102

103 Véhicules hybrides Principe de fonctionnement des véhicules hybrides hydrauliques 103

104 Véhicules hybrides On appelle «full hybrid» ou hybrides complets, les véhicules qui peuvent se mouvoir à basse vitesse sans utiliser leur moteur thermique (ou de l énergie chimique). D autres auteurs parlent de de «full hybrid» lorsque les deux sources d énergie peuvent être utilisées pour mouvoir le véhicule pendant un temps significatif. Au contraire les «mild hybrid» ou hybrides partiels ont toujours besoin de la source d énergie primaire. La source d énergie secondaire est soit incapable de mouvoir seule le véhicule, soit elle ne peut le faire que pendant des très courtes périodes en aidant la source principale. 104

105 Véhicules hybrides Dans les hybrides partiels, on distingue encore plusieurs souscatégories. Les hybrides Stop & Start sont utilisés pour pouvoir permettre de couper le moteur thermique à l arrêt et de le redémarrer rapidement à la demande. Les Alterno-Démarreur Intégrés avec Amortissement (ISAD) sont des hybrides qui autorisent le moteur électrique à mouvoir le véhicule en plus de la fonction stop & start. Les hybrides avec Assistance du Moteur Intégrée (IMA) sont similaires au Alterno-Démarreurs Intégrés, mais ils possèdent un plus gros moteur électrique qui peut être utiliser pour mouvoir effectivement le véhicule. 105

106 Véhicules micro-hybrides Citroën C3 stop&start Le système Stop & Start se base sur le principe de l'alternodémarreur qui associe la boîte de vitesses robotisée à l'alternateur. A l'utilisation, ce système se manifeste par l'arrêt du moteur pendant l'immobilisation du véhicule : dans les bouchons par exemple. Le moteur redémarre, sans surconsommation, au lâché de la pédale de frein. Le Stop & Start réduit ainsi la consommation et les émissions de CO2 d environ 10 %. Ce système est essentiellement rentable en cycle urbain sans toutefois pénaliser les performances extra urbaines 106

107 Véhicules hybrides On distingue encore les hybrides séries des hybrides parallèles. Dans un hybride série, la source d énergie primaire est utilisée pour actionner une génératrice de courant qui peut soit recharger les batteries soit délivrer de la puissance au moteur électrique qui est le seul à mouvoir les roues. Hybride série 107

108 Véhicules hybrides Dans un hybride parallèle, les deux types de motorisations peuvent actionner les roues indépendamment l une de l autre ou en combinaison. Typiquement le réservoir à carburant fournit de l énergie au moteur thermique pendant que, en parallèle, les batteries délivrent de l énergie électrique au moteur électrique. Hybride parallèle 108

109 Véhicules hybrides Series Hybrid Parallel Hybrid F B E G P M T F B E P M T B: Battery E: Internal Combustion Engine F: Fuel Tank G: Generator M: Electric Motor P: Power Converter T: Transmission to wheels Series-Parallel Hybrid Complex Hybrid F E F E Electric link G T P M/G T Hydraulic link Mechanical link B P M B P M 109

110 Véhicules hybrides En outre, avec la complexité des conceptions, on distingue maintenant d autres morphologies de la chaîne de traction hybride (Chan, 2002) La configuration série-parallèle: les deux sources d énergie peuvent actionner les roues. Toutefois un dispositif est prévu afin de permettre de retomber sur une architecture série en introduisant une génératrice entre le moteur thermique et les batteries. La configuration hybride complexe permet également le couplage des deux systèmes de motorisation aux roues, mais un arrangement plus complexe permet d utiliser une machine électrique pour recevoir ou restituer de l énergie au moteur thermique 110

111 Toyota Prius transmission Transmission of Toyota Prius II 111

112 Toyota Prius transmission Transmission of Toyota Prius II 112

113 Véhicules hybrides Le concepteur peut décider si les batteries sont chargées à partir du réseau électrique ou bien seulement à partir de la source primaire, c est-à-dire le moteur thermique. Ceci donne lieu à une nouvelle distinction dans les véhicules hybrides. Les véhicules à «charge sustaining» ne sont capables de maintenir l état de charge des batteries que grâce à la source d énergie primaire (le moteur thermique). Les véhicules à «charge depleting» ne sont pas capables de maintenir l état de charge des batteries qui nécessite l utilisation d une recharge sur le réseau électrique. Les véhicules hybrides «plug-in» sont ceux qui sont capables de recharger leurs charges sur le réseau 113

114 Véhicules hybrides Les véhicules à «charge sustaining» Ils sont caractérisés par les seules émissions et la consommation du moteur thermique. Ils ne demandent pas de modifications des habitudes du conducteur pour planifier la recharge des batteries qui peut être longue La solution ne dépend pas d infrastructure particulière pour le rechargement des batteries Le bénéfice venant de l hybridation en termes d émission et de consommation est souvent moindre à cause de la nécessité de devoir recharger les batteries avec le moteur à combustion interne. 114

115 Véhicules hybrides Les véhicules à «charge depleting» Ils caractérisés par la consommation de carburant et par la consommation d électricité (en kwh/100km) et les émissions moyennes liées à la production d un kwh sur le réseau. Un grand avantage est que les émissions de CO 2 et de polluants associées à la production d électricité peuvent être relativement basses, car la production d électricité est effectuée dans des installations importantes équipées de systèmes de dépollutions, de centrales nucléaires, ou à partir d énergie verte. 115

116 Piles à combustible 116

117 PILES A COMBUSTIBLE: C EST QUOI? Système de conversion directe de l énergie d un combustible en électricité Réaction électrochimique (oxydoréduction) sans flamme La pile à hydrogène H 2 O 2 : réaction inverse de l électrolyse de l eau Réactifs introduits et renouvelés tandis que les produits de réaction enlevés en continu Rendement élevé (~50%) Coût des électrodes: métaux précieux 117

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