Électrification des véhicules, quelles solutions, quels potentiels?

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1 Controlled CO 2 Diversified fuels Fuel-efficient vehicles Clean refining Extended reserves Électrification des véhicules, quelles solutions, quels potentiels? François BADIN - IFP Energies nouvelles ENS Cachan, 27 août

2 IFP strategic priorities Preparing for the energy transition EXTENDED RESERVES CLEAN REFINING DIVERSIFIED FUELS FUEL-EFFICIENT VEHICLES CONTROLLED CO 2 Pushing back the boundaries in oil and gas exploration and production Converting as much raw material as possible into transport energy Diversifying fuel sources Developing clean, fuelefficient vehicles Capturing and storing CO 2 to combat greenhouse effect 2 ACV vecteurs énergétiques et véhicule Powertrain Engineering

3 Evolution et perspectives des émissions de CO 2 des véhicules (France et Europe) 3

4 Evolution et perspectives des émissions de CO 2 des véhicules (Monde) 4

5 Principales solutions possibles Stop Start Stop Start Gestion Energie Stop Start Gest éner Récup. faible Stop Start Gest éner Récup. moyenne Assist. MTH Stop Start Gest éner Récup. bonne Assist. MTH Mode électrique limité (sp) Stop Start, Gestion énergie Récup. bonne, Assistance MTH Mode électrique étendu (client) Recharge réseau (V2H, V2G) VTH Micro Micro Micro-Mild Mild Full Rechargeables VE Pas de mode électrique Charge sustaining Mode électrique Charge depleting

6 Options de motorisation Existantes (moteur thermique) Hydrocarbure Rés. MTH NR TR Energie mécanique Roues motrices Energie NOx, PM, Bruit... Freins dissipatifs Alternative (tout électrique) R Électricité ESS ME TR R Energie Energie mécanique Roues motrices 6

7 7 Options de motorisation Solutions maîtrisées Existantes Très (moteur grande thermique) autonomie et recharge immédiate Nuisances locales (atmosphériques, bruit) Nuisances globales (GES) NR Energies non renouvelables Hydrocarbure Rés. Energie MTH TR Pas de nuisances locales Energie mécanique Roues motrices Possibilité de réduction NOx, PM, Bruit... des nuisances Freins dissipatifs globales Faible autonomie Alternative (tout électrique) Temps de recharge Infrastructure Coût d achat Incertitudes batterie Électricité ESS ME TR R Auxiliaires Energie(chauffage, A/C) Maintenance R Energie mécanique Roues motrices

8 Grands principes de l hybridation Full Mild Rechargeables VE 8

9 Solutions hybrides Synergie entre les deux options Hydrocarbure Rés. MTH TR Energie Tampon de puissance CP CP CP ESS ME TR R Energie mécanique Roues motrices 9

10 Optimisations Solutions hybrides Optimisation des conditions de fonctionnement du moteur thermique, Récupération d'énergie au freinage, Optimisation de la gestion électrique à bord Synergie entre les deux options Hydrocarbure Rés. MTH TR Energie Tampon de puissance CP CP CP ESS ME TR R Energie mécanique Roues motrices 10

11 Particularités du stockage pour véhicule hybride (caractéristiques) Batterie Type Daimler Benz S400 Supercondensateur Doc. Daimler Type Prius non rechargeable Doc. Toyota SAFT Li Ion ~ 24 kw ~ 0,8 kwh nominal Panasonic EV NiMH ~ 27 kw ~ 1,3 kwh nominal Oléopneumatique Doc. PSA Doc. Batscap PSA 20 à 30 kw ~ 50 Wh maxi possible

12 Particularités du stockage pour véhicule hybride (usage dit sustaining) Etat de charge maintenu (buffer de puissance) Etat de charge batterie ~ 50% ~ 50% 8 4 ~ 50% ~ 6% ~ 12% ~ 3% Prius 1 Tino Insight 12

13 Hybride non rechargeable Usage de la batterie en sustaining Charge Batterie en % ~ 55 Batterie Maxi 0 1 Usage et repos Moteur thermique Mini Temps 13 Usage MTH 0 Temps

14 Solutions hybrides rechargeables Synergie entre les deux options + 2 ème vecteur énergétique Hydrocarbure Rés. MTH TR Energie Energie et puissance CP CP CP Électricité ESS ME TR R Energie mécanique Roues motrices

15 Fonctionnalités complémentaires Solutions hybrides rechargeables Mode tout électrique avec autonomie, Recharge de la batterie sur le réseau, Echange d'énergie batterie réseau, Synergie entre les deux options + 2 ème vecteur énergétique Hydrocarbure Rés. MTH TR Energie Energie et puissance CP CP CP Électricité ESS ME TR R Energie mécanique Roues motrices

16 Particularités du stockage pour véhicule Hybride rechargeable (caractéristiques) Type Prius rechargeable Type GM Volt Opel Ampera Li Ion ~ 40 kw ~ 4,4 kwh nominal Li Ion LGChem (LMO) ~ 100 kw ~ 16 kwh nominal 16

17 Hybride rechargeable Usage de la batterie en depleting ~85 Mode blended Recharge Maxi Charge Batterie en % ~25 0 Usage 1 Repos Mini Temps Usage MTH 0

18 Hybride rechargeable avec mode tout électrique Usage de la batterie depleting puis sustaining ~85 Mode blended Recharge Maxi Charge Batterie en % ~25 Sustaining Mini 0 Usage Repos Temps 1 Usage MTH 0 Temps

19 Hybride rechargeable avec mode tout électrique Usage de la batterie depleting (ZEV) puis sustaining ~85 Autonomie Électrique (AER) Recharge Maxi 19 Charge Batterie en % Sustaining ~25 0 Usage Repos Usage MTH 1 0 Mode tout électrique Pas de MTH Mode hybride Mini Temps Temps

20 Mise en œuvre de l hybridation 20

21 Solutions hybrides série ou parallèle Hybridation alternativement série ou parallèle ESS ME R1 Énergie mécanique Énergie électrique Énergie chimique Couplage électrique Couplage mécanique Flux d'énergie ME Dérivé R2 Direct Hydrocarbure Rés. MTH NR TR Roues motrices 21

22 Solutions hybrides série et parallèle Hybridation série et parallèle, dite à dérivation de puissance ESS ME R1 Énergie mécanique Énergie électrique Énergie chimique Couplage électrique Couplage mécanique Flux d'énergie ME Dérivé R2 Direct Hydrocarbure Rés. MTH NR TR Roues motrices 22

23 23 Réalisations

24 Une grande variété de configurations (1/2) Configurations GMP Machine liée au moteur thermique Machine liée à la transmission Machine(s) dans la transmission Valeo ReStart Aisin KERS (inertie) 24 Valeo e-stars Honda Insight Flexhybrid IFPEN Allison 2 Modes

25 Une grande variété de configurations (2/2) Architectures véhicule 25

26 Considérations de performances 26

27 Besoins nécessaires Mobilité des véhicules, un besoin : de puissance (dynamique); d énergie (autonomie) Performances dynamiques Puissance en kw 27 Autonomie Energie utile (kwh)

28 Comparaison des performances (VEH) Thermique Hybride Toyota Prius (1997) Electrique 60 à 150 Puissance en kw Nuisances locales. 60 à 70 Puissance en kw Batterie NiMH 1,8 à 1,3 kwh 15 à 120 Puissance en kw Batterie Li_Ion 10 à 30 kwh 20 Autonomie en km 800 à 1000 Mode tout thermique 1 à 2 Autonomie en km Mode hybride en charge sustaining 800 à 1000 ~80 à ~180 Autonomie En usage km Mode tout électrique charge depleting 28

29 Comparaison des performances (VHR) Blended Prius rechargeable (2013) No compromise GM Volt, Opel Ampera (2012) Range extender BMW i3 Range Extender (2014) 100 Puissance en kw Batterie Li ~4,4 kwh tot ~ 110 Puissance en kw Batterie Li ~16 kwh tot 125 Puissance en kw Batterie Li >22 kwh tot à 22 Autonomie en km 800 à 1000 ~60 Autonomie en km 800 à 1000 ~130 à 160 Autonomie en km 800 à

30 Comparaison des performances Opel Ampera WOT acceleration (open road, not std procedure) 30

31 Cas des Stop&Start et évolutions VTH Micro Micro Micro-Mild Mild 31

32 Réalisations (12 V) Stop & Start Batterie Contrôle Gestion MTH Gestion énergie Faible récup. Deux machines Une machine Valeo, Bosch, Denso < 2 kw < 4 kw Valeo, Delphi PSA, Citroën, Nissan BMW, Audi, Opel, VW, Renault, Fiat, Kia Coût, intégration, faibles températures Bruit, vibrations, durée, fonctionnalités Bruit, vibrations, durée, fonctionnalités Coût, intégration, faibles températures

33 Réalisations (48 V et plus) Stop & Start et plus Machine non intégrée Machine intégrée GM (115V Li-ion) 15 kw 15 kw Daimler (118V Li-ion) Démarrage à la volée Creeping Décollage Boost Paliers Récupation GM LaCrosse 2012 S400 Bluehybrid 33 Bruit, vibrations, durée, fonctionnalités Coût, intégration, faibles températures Bruit, vibrations, durée, fonctionnalités Coût, intégration, faibles températures

34 Système Stop&Start et évolutions Vitesse véhicule Décélération Accélération Palier à faible vitesse Stop&Start 0 Arrêt Temps 34

35 Système Stop&Start et évolutions Vitesse Véhicule (km/h) Décélération Accélération Palier à faible vitesse Récupération Boost Arrêt hors stop Traction 20 et plus Stop&Start 35 0 Arrêt Creeping et décollage Temps

36 36 Bilan environnemental

37 Niveau véhicule (VHR) Particularité de la consommation énergétique Très grande dépendance à la distance entre charges... Etat de charge batterie Maximum Minimum Norme CE 20 à 60 km (CDR) Carburant Electricité Distance

38 Bilan coût - performances

39 Comparatif des performances en CO 2 des VP hybrides vendus en France VHR 39 COMPARATIF_COUTS

40 Comparatif des performances en CO 2 des VP hybrides vendus en France 6300 (27%) Bonus Malus 4000 (20%) 3300 (8,25%) Variable VHR 40 COMPARATIF_COUTS

41 Programme 2L/100 km (VEH essence) Comparatif des performances en CO 2 des VP hybrides vendus en France 6300 (27%) Bonus Malus 4000 (20%) 3300 (8,25%) Variable VHR Programme 2L/100 km (VHR essence) 41 COMPARATIF_COUTS

42 Comparatif de prix des VP hybrides (1/2) Véhicules avec bonus VEH VHR VHR VHR 42 COMPARATIF_COUTS

43 Comparatif de prix des VP hybrides (2/2) Véhicules avec malus 43 COMPARATIF_COUTS

44 Relation prix / performances en CO 2 (1/3) Prix brut Hybride Diesel 2.0 L Diesel 2.0 L Diesel 2.0 L BVA Véhicule gamme moyenne inférieure Diesel 1.6 L Stop/Start Essence BVA Diesel 1.6 L Essence COMPARATIF_COUTS

45 Relation prix / performances en CO 2 (2/3) Prix net Hybride Diesel 2.0 L Diesel 2.0 L Diesel 2.0 L BVA Véhicule gamme moyenne inférieure Essence BVA Diesel 1.6 L Stop/Start Diesel 1.6 L Essence COMPARATIF_COUTS

46 Relation prix / performances en CO 2 (3/3) Prix net et éléments de comparaison Hybride Diesel 2.0 L 110 kw Diesel 2.0 L 120 kw Diesel 2.0 L BVA Véhicule gamme moyenne inférieure 147 kw 4x4, BMP 85 kw Diesel 1.6 L Stop/Start Diesel 1.6 L 85 kw Essence 88 kw Essence BVA COMPARATIF_COUTS

47 Relation prix / performances en CO 2 (1/3) Prix brut Hybride Essence 1.5 L Diesel 1.4 L Véhicule gamme économique et inférieure Essence 1.3 L CVT Essence 1.3 L Essence 1.0 L 47 COMPARATIF_COUTS

48 Relation prix / performances en CO 2 (2/3) Prix net Diesel 1.4 L Véhicule gamme économique et inférieure Hybride Essence 1.5 L Essence 1.3 L CVT Essence 1.3 L Essence 1.0 L 48 COMPARATIF_COUTS

49 Relation prix / performances en CO 2 (3/3) Prix net et éléments de comparaison Hybride Essence 1.5 L Diesel 1.4 L Essence 1.3 L CVT Véhicule gamme économique et inférieure 74 kw 66 kw 74 kw Essence 1.3 L 51 kw Essence 1.0 L 49 COMPARATIF_COUTS

50 Référence d un ouvrage collectif pour approfondir 50

51 Énergies renouvelables Production éco-responsable Transports innovants Procédés éco-efficients Ressources durables Merci pour votre attention 51

52 Comparaison des performances BMW e3 Range Extender Prolongateur d'autonomie (Range extender) BMW e3 : Batterie : Li-Ion Autonomie ZEV : 130 à 160 km MEL : 125 kw MTH : 25 kw, bicylindre (650 cm3) Autonomie totale : ~300 km Prix

53 Synthèse fonctionnalités x architectures 53