Le véhicule du futur

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1 Le véhicule du futur Journée National de l Ingénieur 2014 David BOUQUAIN, UTBM-IRTES-SET Université de Technologie de Belfort-Montbéliard Belfort cedex - France - 1

2 Contexte + 1,2 milliard de véhicules dans le monde Environ + 35 millions véhicules par an Véhicule «moyen» français km/an 34 km/jour Source : L Argus 2

3 Contexte + 1,2 milliard de véhicules dans le monde Environ + 35 millions véhicules par an Evolution de l automobile Intégration de nouvelles technologies Hausse de l agrément, des performances, de la sécurité Contenir le plus possible l augmentation du poids 3

4 Contexte + 1,2 milliard de véhicules dans le monde Environ + 35 millions véhicules par an Evolution de l automobile Intégration de nouvelles technologies Hausse de l agrément, des performances, de la sécurité Contenir le plus possible l augmentation du poids Contraintes environnementales Émission de polluants Émission de gaz à effet de serre Diminuer la consommation des moteurs thermiques 4

5 Contexte Pollution de l air liée à l automobile Hydrocarbures : constitués de carbone et d hydrogène en majeure partie. Lors de la combustion idéale : l oxygène nécessaire à cette réaction se combine avec le carbone pour donner du dioxyde de carbone (gaz à effet de serre : GES), l hydrogène se combine avec l oxygène pour donner de l eau sous forme de vapeur. La combustion n est jamais idéale. En plus du dioxyde de carbone et de l eau, la combustion rejette : des oxydes d azote (NOx), du monoxyde de carbone (CO), des particules et hydrocarbures non brulés. 5

6 Contexte Gaz à effet de serre (GES) : CO 2 Contribution des différents secteurs aux émissions totales de gaz à effet de serre anthropiques en 2004, en équivalent CO2 Source : Rapport du GIEC

7 Contexte Pollution de l air liée à l automobile Source : Rapport du SITEPA avril

8 Contexte Puissance nécessaire à l avancement du véhicule Principe fondamental de la dynamique v : vitesse véhicule Mv : masse g : accél. de la pesanteur S : surface frontale Cx : coef. pénétration dans l air Cr : coef. de roulement ρ air : densité de l air 8

9 Contexte Puissance nécessaire à l avancement du véhicule En dynamique A plat, à vitesse stabilisée 9

10 Contexte Cycle normalisé européen Moteur chaud, tous les auxiliaires déconnectés 10

11 Solutions pour consommer moins? Diminution du poids du véhicule Aérodynamique Optimiser le moteur thermique Récupérer les énergies perdues Electrification partielle ou totale 11

12 Diminution du poids Evolution masse voiture en France 100 kg en moins 10 g CO 2 /km en moins (cycle NEDC) + 60 %!! 12

13 Diminution du poids Ne pas diminuer le confort et la sécurité Matériaux composites, plastiques Aciers à très haute limite élastique Alliages légers (aluminium) Ex : Nouvelle Peugeot 308 Ailes et capot : alu Coffre : composite thermoplastique Châssis : en partie acier haute limite élastique kg sur la génération précédente Source : PSA 13

14 Ex : BMW i3 Diminution du poids Carrosserie et coque : plastique renforcé en fibre de carbone Châssis en aluminium Poids total : 1130 kg dont 230 kg de batteries Source : BMW 14

15 Aérodynamique Optimiser l aérodynamique Volkswagen XL-1 : Cx de 0,189 Peugeot Hybrid FE : Cx de 0,25 (208 0,29) Calandre fermée Rétroviseurs caméra Jantes spéciales Volets pilotés Difuseur Source : VW Source : PSA 15

16 Optimiser le moteur thermique Mauvais rendement moteur thermique Moteur essence : environ % sur cycle normalisé NEDC Source : astucespratiques.fr 16

17 Optimisations Downsizing Optimiser le moteur thermique Réduction cylindrée + turbocompresseur Injection directe : amélioration combustion Combustion stratifiée Augmentation du taux de compression Réduction des frottements piston/cylindre 17

18 Récupérer les énergies perdues Récupération de la chaleur à l échappement Réchauffer l habitacle Convertir l énergie thermique en énergie mécanique ou électrique Ex : Cycle Rankine Génération de vapeur 18

19 Récupérer les énergies perdues Récupération énergie cinétique au freinage Volant d inertie énergie mécanique Supercondensateurs/batteries énergie électrique 19

20 Electrification partielle ou totale Objectifs : Compenser les mauvais points de fonctionnement du moteur à combustion interne Utiliser une motorisation électrique réversible fonctionnement moteur ou générateur 20

21 Electrification partielle ou totale Une des solutions Electrification du véhicule Courbes puissance, couple Mot Elec vs. Moteur thermique avantage Elec Moteur thermique Moteur électrique 21

22 Electrification partielle ou totale Une des solutions Electrification du véhicule Cartes rendement Mot Elec vs. Moteur thermique avantage Elec Source : astucespratiques.fr Moteur thermique Source : YASA Moteur électrique 22

23 Taux d hybridation Electrification du véhicule Mitsubishi I-Miev Toyota Prius Opel Ampera Véhicule électrique Taux d hybridation 100 % Véhicule à moteur thermique 0 % Citroën C3 Stop&Start Micro hybride Hybride «Taille» de la batterie Hybride rechargeable Autonomie! 23

24 Les véhicules électriques : principe Propulsion par un moteur électrique à courant continu ou alternatif Source d énergie embarquée : batteries (plomb, Ni-Mh, Li-ion ) Régulation de la puissance par un dispositif électronique de contrôle. Besoin d'un réseau de distribution d'électricité pour pouvoir recharger les batteries 24

25 Historique Véhicules électriques : Les ancêtres 1912 (USA) un tiers des voitures étaient électriques ( véhicules) 1920 : disparition quasi-totale des véhicules électriques Taxicab 1886 Jeantaud et Raffard 1893 A un dépôt de la RATP de 1899 La jamais contente 1899, quand les fiacres venaient échanger leurs batteries 25

26 Exemples de véhicules électriques commercialisés aujourd hui Renault Zoé (2013) Moteur Synchrone à rotor bobiné 65 kw 222 Nm Batteries Lithium Ion 22 kwh 290 kg 400 V 135 km/h Autonomie 210 km (NEDC) / km (réel) TTC + location batterie (79 par mois) Poids voiture : 1428 kg Chauffage par pompe à chaleur Système de freinage récupératif innovant Source : RENAULT 26 26

27 Exemples de véhicules électriques commercialisés aujourd hui TESLA S (2013) Moteur 2 DC brushless (MSAP) 225 kw 440 Nm Batteries Lithium-ion 60 kwh 400 V 425 kg Autonomie 390 km (Cycle NEDC) 190 km/h - 0 à 100 km/h en 6,2 secondes TTC Poids voiture : 2108 kg Poids batterie / véhicule : 20 % Source : TESLA 27 27

28 Le véhicule hybride Caractéristiques principales Un moteur électrique combiné à un moteur thermique + Voiture classique thermique Voiture électrique Voiture hybride 28

29 Le véhicule hybride : l ancêtre 1900 : véhicule hybride Lohner-Porsche Semper Vivius présenté au salon de Paris moteur à combustion pour l essieu arrière 2 moteurs électriques (2 x 2.5 ch) situés dans les moyeux des roues avant 400 kg de batteries 60 km d autonomie PSA Hybrid4 REACT EV 29

30 Le véhicule hybride Niveaux d hybridation : les micro hybrides Moteur / générateur d environ 2 à 3 kw Batterie très proche de l existante, Gain en consommation urbaine : 5 à 10 % Fonction alterno-démarreur : coupure du moteur thermique lors d un arrêt de la voiture et redémarrage automatique Ex : stop & start PSA 30 30

31 Le véhicule hybride Niveaux d hybridation : les mild hybrides Moteur / générateur d environ 5 à 15 kw associé à une batterie spécifique Fonction alterno-démarreur Assistance à l accélération Freinages récupératifs Solution intermédiaire Ex : Honda Source : HONDA 31 31

32 Le véhicule hybride Niveaux d hybridation : les full hybrides Moteur / générateur de 20 à 50 kw associé à une batterie spécifique Le moteur électrique seul peut mettre en mouvement la voiture Assistance à l accélération et roulage ZE sur quelques km Freinages récupératifs Modification profonde de l architecture du GMP «Petite» batterie 200 à 300 V, 1 à 2 kwh, Plusieurs architectures de base possibles Série (Opel) Parallèle (PSA) Dérivation de puissance (Toyota) 32 32

33 Le véhicule hybride Niveaux d hybridation : les full hybrides rechargeables Moteur / générateur de 70 à 110 kw associé à une batterie HT La puissance dépend de l architecture Le moteur électrique seul peut mettre en mouvement la voiture Roulage en tout électrique sur «grandes» distances (40 à 60 km) Assistance à l accélération Freinages récupératifs «Grosse» Batterie 400 à V, 11 à 16 kwh, Plusieurs architectures de base possibles Série Parallèle Dérivation de puissance 33 33

34 Le véhicule hybride Les full hybrides rechargeables : exemple Volvo V60 hybrid Plug-in 1800 kg Puissance Totale : 280ch 0 à 100 : 6.2 s Moteur électrique Couple Electrique : 200Nm Puissance Electrique : 70ch Autonomie en électrique : 50 km Batterie Li-Ion 11,2 kwh 400 V Moteur thermique Cylindrée : 2.4L 5cyl. injection directe 2 turbos Puissance : 215ch tr/min Couple : 440 Nm tr/min Prix : TTC Source : VOLVO 34 34

35 Le véhicule hybride Les full hybrides rechargeables : principe Source : CHEVROLET 35 35

36 Hybride série Les véhicules hybrides : architectures Génératrice Moteur thermique Transmission Moteur électrique Convertisse ur de puissance Batterie 36 36

37 Hybride parallèle Les véhicules hybrides : architectures Convertisseur de puissance Batterie Transmission Moteur générateur Embrayage Moteur thermique 37 37

38 Les véhicules hybrides : architectures Hybride parallèle variante PSA - Volvo Moteur thermique Transmission Embrayage Moteur électrique Génératrice Batterie Convertisseurs de puissance 38 38

39 Les véhicules hybrides : architectures Hybride à dérivation de puissance Toyota Moteur thermique Différentiel Train épicycloïdal Génératrice électrique Moteur électrique Convertisseur de puissance Batterie 39 39

40 Electrification du véhicule Problème majeur : la batterie! Densité d énergie, de puissance Vs. carburant rapport 100 environ Renault ZOE : 76 Wh/kg Tesla S : 141 Wh/kg Audi A3 e-tron : 70 Wh/kg Toyota Prius : 31 Wh/kg 40

41 Electrification du véhicule Problème majeur : la batterie! Densité d énergie, de puissance Vs. carburant rapport 100 environ Source : Renault 41

42 Electrification du véhicule Problème majeur : la batterie! Système complexe : exemple Audi A3 e-tron Technologie Lithium-ion 8.8 kwh / 280 to 390 volts 96 cellules (8 modules de 12) 125 kg (70 Wh/kg) Source : AUDI4ever Source : Audi 42

43 Electrification du véhicule Problème majeur : la batterie! Système complexe : exemple Audi A3 e-tron Source : AUDI4ever Source : Audi 43

44 Electrification du véhicule Problème majeur : la batterie! Densité d énergie, de puissance Vs. carburant rapport 100 environ Utilisation de la batterie : cyclage vs. durée de vie 44

45 Principe Electrification : la pile à combustible Combustion électrochimique contrôlée d oxygène et d hydrogène, avec production simultanée d eau, d électricité et de chaleur À l anode : À la cathode : Source : B.Blunier 45

46 Electrification : la pile à combustible Un système PàC comprend de nombreux équipements : le cœur de pile (assemblage de plusieurs cellules élémentaires), l'alimentation en hydrogène, l'alimentation en air (oxygène), un circuit de refroidissement, un circuit d'humidification, un convertisseur statique de puissance un système de contrôle. Source : B.Blunier 46

47 Electrification : la pile à combustible Stockage de l hydrogène sous pression Besoin véhicule : environ 1 kg H 2 (ou 12 Nm 3 ) pour 100 km Réservoir spécifique carbone-aluminium Pression bars 47

48 Véhicules PàC : architecture La base est identique à celle d un véhicule électrique On utilise un moteur électrique comme organe de propulsion On ajoute à la batterie par un système PàC On trouve 2 architectures principales Source : Mercedez 48 48

49 Véhicules PàC : architectures Hybridation de la PàC avec une source auxiliaire de puissance La PàC doit pouvoir fournir au moins la puissance électrique moyenne Une batterie (ou supercondensateurs) fourni et absorbe (en partie) les pics de puissance Possibilité d utiliser le freinage régénératif Solution la plus répandue Source : Honda 49 49

50 Véhicules PàC : architectures Utilisation de la PàC comme chargeur de batterie La PàC à une puissance inférieure à la puissance moyenne du cycle Besoin du batterie de forte capacité Fonctionnement en prolongateur d autonomie (range extender) Solution utilisable pour les véhicules urbains ou périurbains Exemple : Renault Kango ZE H 2 Kangoo ZE + Pàc 5 kw Autonomie : 160 km 320 km (NEDC) 1,5 kg d hydrogène PàC Symbio Fuel Cell Source : Renault Symbio Fuel Cell 50 50

51 La PàC : Production de l hydrogène? Production mondiale : 500 milliards de Nm 3 /an L hydrogène est utilisé principalement pour : La production d ammoniac (NH 3 ) : 51 % Le raffinage du pétrole : 45 % Industrie chimique : 3% Autres 1% Attention au bilan énergétique global! On pourrait fournir avec cela l énergie nécessaire pour 350 millions de voitures PàC ( km/an) 51 51

52 Problématique Le véhicule électrique est-il économique? Le prix d achat et les coûts d utilisation sont des facteurs déterminants Prix des batteries, kilométrage annuel, prix de l énergie et taux d actualisation sont essentiels La consommation en électricité du VE dépend fortement de l usage et du type de conduite La politique fiscale appliquée aux prix de l électricité et du carburant peut bouleverser la comparaison économique du VE et du VTh 52

53 Le véhicule électrique est-il économique? Comparatif : Renault Zoé vs. Clio IV Renault Zoé : 22 kwh pour 100 km (réel) Renault Clio diesel 75 Ch : 4,7 l/100 km (réel) France Allemagne Chine France/Allemagne Chine Elec: 0,14 /kwh Elec: 0,27 /kwh Elec: 0,07 /kwh Elec: 79 g CO2/kWh Elec: 461 g CO2/kWh Elec: 782 g CO2/kWh Gasoil : 1,26 /litre Gasoil : 0,75 /litre Coût : 3,08 /100 km Coût : 5,94 /100 km Coût : 1,54 /100 km Coût : 5.92 /100 km Coût : 3.53 /100 km CO2 : 17 g C02/km CO2 : 101 g C02/ km CO2 : 172 g C02/ km CO2 (réel) : 124 gco2/km CO2 (réel) : 124 gco2/km 53

54 Exemple : Le véhicule électrique est-il économique? Renault Fluence ZE : coût d utilisation comparable à son équivalent diesel grâce au super bonus et à condition de parcourir plus de km/an Les batteries de la Fluence ne sont proposées qu à la location (79 /mois) 54

55 Prédiction d évolution du coût du véhicule électrique Source : Study analysis 55

56 Le véhicule hybride est-il économique? Véhicules de référence Véhicules Toyota Gamme hybride la plus abordable aujourd hui 56

57 Le véhicule hybride est-il économique? 57

58 Bilan du puits à la roue Attention au bilan global «du puits à la roue» prendre en compte les émissions lors de la production d électricité! 58

59 Rendements globaux du puits à la roue (prévision 2020) 59

60 Conclusion Des efforts sont encore à faire sur l'architecture des véhicules, sur le développement des moteurs thermiques et sur les carburants. La mutation vers l électricité va se faire progressivement La batterie (et son cycle de vie) est un facteur clé pour l émergence des véhicules électriques Les systèmes d exploitation pour fournir de l électricité ne sont pas encore tous sans émettre des polluants et gaz à effet de serre bilan du puits à la roue! Pile à combustible Des efforts importants sont encore à faire sur la pile à combustibles Mais en parallèle il faut développer également le réseau de production et surtout de distribution d hydrogène : tout est à construire! La PàC pour l automobile n a de sens que si l on utilise principalement des sources sans émissions de GES pour produire l hydrogène. Pour que ses «nouveaux» véhicules soient une réussite, il est nécessaire que le consommateur s approprie cette nouvelle manière de «consommer» le véhicule 60

61 irtes.utbm.fr Université de Technologie de Belfort-Montbéliard Belfort cedex - France