VEHICULES ELECTRIQUES, HYBRIDES ET A PILE A COMBUSTIBLE Partie 2: Véhicules hybrides et à pile à combusible

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1 VEHICULES ELECTRIQUES, HYBRIDES ET A PILE A COMBUSTIBLE Partie 2: Véhicules hybrides et à pile à combusible 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 Motorisation électrique Moteurs DC Moteurs AC asynchrones Moteurs AC synchrone Systèmes de stockage d énergie Batteries Supercondensateurs 3

4 Plan de l exposé Architecture de la chaîne de traction électrique Motorisation électrique centralisée et distribuée Moteurs et moteurs roues Bornes de recharge électriques Connecteurs Communications 4

5 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 5

6 Véhicules hybrides 6

7 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 7

8 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 8

9 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 9

10 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 10

11 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. 11

12 Véhicules hybrides Principe de fonctionnement des véhicules hybrides hydrauliques 12

13 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. 13

14 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. 14

15 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 15

16 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 16

17 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 17

18 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 18

19 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 19

20 Toyota Prius transmission Transmission of Toyota Prius II 20

21 Toyota Prius transmission Transmission of Toyota Prius II 21

22 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 22

23 Véhicules hybrides Différents scénarios de recharge des batteries Charge sustaining Charge depleting Plug in Range extender utilisant par exemple une pile à combustible 23

24 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. 24

25 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. Demande une modification des habitudes du consommateur et une discipline proche de celle du véhicule électrique à batterie Requiert le déploiement d une infrastructure de bornes de recharge 25

26 Véhicules hybrides Les véhicules «plug-in hybrids» : Ils sont caractérisés à la fois par leur consommation en carburant (l/100km) et celle en énergie électrique (kwh/100km). Cette dernière est liée aux émissions moyennes nécessaires pour la production du kwh sur le réseau. Ils peuvent être utilisés dans des conditions normales même si la batterie n a pas pu être rechargée au dépend d une consommation en carburant plus élevée. Charger les batteries sur le réseau électrique est favorable et réduit les émissions et la consommation d énergie primaire. Cela requiert cependant une certain discipline de l utilisateur. La meilleure efficacité énergétique est atteinte lorsque l utilisateur peut mettre à profit le plus faible impact environnemental lorsqu on utilise des installations et en utilisant l énergie verte (sources renouvelables, nucléaire 26

27 Piles à combustible 27

28 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 28

29 PILES A COMBUSTIBLE A HYDROGENE Avantages: Fonctionnement silencieux Rendement théorique élevé (supérieur à 50%) Pas de rejet direct de polluants Inconvénients: Coût des électrodes Pureté des combustibles On distingue actuellement différents types de piles à combustibles Piles PEM (polymer exchange membrane) Pile au Méthanol Direct 29

30 Principe de fonctionnement des PAC Le combustible : généralement l hydrogène. Le comburant : l oxygène de l air Hydrogène + Oxygène Vapeur d eau + électricité + chaleur Électricité : courant continu 30

31 Principe de fonctionnement d une pile à combustible H 2 O 2 31

32 Principe de fonctionnement d une pile à combustible H 2 O 2 A l anode: oxydation de l hydrogène (réaction catalysée) H 2 2 H e - électrolyte acide H OH - 2 H 2 O + 2 e - électrolyte basique A la cathode, oxydation de l oxygène (réaction catalysée) 1/2 O H + + 2e- H 2 O électrolyte acide 1/2 O 2 + H 2 O + 2e- 2 OH - électrolyte basique Bilan H 2 + 1/2 O 2 H 2 O + chaleur 32

33 Principe de fonctionnement d une pile à combustible H 2 O 2 Il s agit en fait de la réaction inverse de l électrolyse de l eau Cette réaction est exothermique à 25 C L'enthalpie libre de la réaction est de -237 ou -229 kj/mol selon que l'eau formée est liquide ou gazeuse. Ceci correspond à des tensions théoriques de 1,23 et 1,18 V. Cette tension dépend aussi de la température Besoin d un catalyseur (Pt ou Pt/Ru) pour activer (accélérer) les réactions 33

34 Montage d une pile En pratique, les cellules élémentaires sont assemblées en série ou en parallèle les unes avec les autres pour former une pile ou stack. 34

35 Montage d une pile La puissance du stack dépend du nombre de cellules et de leur surface. On peut ainsi couvrir une large gamme de puissance du kw à plusieurs MW. Il existe même des versions miniaturisées de quelques W. 35

36 Caractéristique d une cellule élémentaire de pile Surtensions dans la pile 36

37 Pertes de rendement Baisse de rendement due aux surtensions: Irréversibilités des réactions: polarisation d activation Résistance électrique interne: chute ohmique. Résistance à l apport des réactifs et à l évacuation des produits (diffusion): polarisation de concentration Ce rendement dépend du catalyseur, de l état des électrodes, de l utilisation de l air au lieu de l oxygène pur, les conditions de température / pression Le rendement électrique se calcule par le rapport entre la tension de la pile et la tension E réversible à la température considérée: elec U E rev 37

38 Pertes de rendement Rendement faradique: Tient compte du nombre d électrons effectivement obtenus par mole de carburant Tient compte aussi de courts-circuits internes Rendement de matière Tient compte de l utilisation du réactif au niveau des électrodes Tout le H2 ne sera pas consommé Rendement système: Nécessité de composants périphériques: compresseurs, système de contrôle, échangeurs de chaleur, système de reformage (désulfuration, échangeur, purification) Généralement 80% de rendement 38

39 Pertes de rendement Rendement global de la pile Exemple H2/O2 à 80 C, pile PEMFC avec tension de 0,7V pour 350 ma/cm² rendement théorique «réversible»: 0,936 rendement électrique: 0,60 rendement faradique: 1 rendement matière: 0,9 rendement système: 0,8 Total: 40,4% pile rev u f m s 39

40 Applications mobiles Marchés de niches: vélo, kart de golf, trottinette, etc. Automobile: Marché le plus lent à se développer Propulsion: commercialisation vers ? Alimentation électrique des véhicules Véhicule hybride: hybrides série avec source d énergie primaire fournie par une PAC Lié à la création du réseau de distribution de l'h 2 Problème du stockage Type de pile: PEMFC 40

41 Applications mobiles Bus: 65 bus construits à ce jour (44 en Europe) dont 33 mis en service en 2003 projets de démonstration Commercialisation limitée par la disponibilité des piles de puissance (200 kw) et par le coût (1.5 M ) Type de pile: PEMFC Combustible: hydrogène comprimé Véhicules militaires: UAV (avion sans pilote) Sous-marins etc. 41

42 Véhicules à piles à combustible H 2 Une solution éprouvée Une fiabilité et une robustesse P.A.C. Electron ique contrôle Hacheur Convertisseur DC/DC Moteur Électrique DC Transmission par chaîne 42

43 Véhicules à piles à combustible: PAC2FUTURE H2 PAC Electronique de contrôle et Hacheur Moteur électrique 43

44 Véhicules à piles à combustible: PAC2FUTURE Avantages: Avantages des véhicules électriques: Mode zéro émission, Opération quasi silencieuse Couple important et conduite urbaine, conduite souple Désavantages: Variation importante de la tension avec le courant Nécessité d une électronique de puissance et de contrôle assez sophistiquée Réservoir d hydrogène: Autonomie limité Manipulation Encombrement 44

45 Véhicules hybrides à piles à combustible Configuration généralement hybride série Batterie de stockage ou supercapacité Récupération d énergie au freinage Downsizing de la pile H 2 ou double énergie (réseau + H 2 ) H 2 production et distribution? H 2 stockage autonomie Tank Fuel cells Node M/G Battery Chemical Electrical Mechanical Wheels 45

46 Honda Clarity Première voiture à pile à combustible disponible à grande échelle de manière commerciale depuis 2009 Disponible sous forme de leasing (600$ par mois) Uniquement en Californie et à Tokyo Region 46

47 Honda Clarity Honda FCX Clarity Main Specifications Number of Occupants Motor Fuel cell stack Fuel Dimensions Vehicle weight Maximum speed Max. output Max. torque Type Type Max. Output Type Storage Tank capacity 4 100kW (136 PS) 256 Nm (189lb.ft) AC synchronous electric motor (permanent magnet) Proton Exchange Membrane Fuel Cell 100kW (136 PS) Compressed hydrogen gas High-pressure hydrogen tank 171 litres mm 1625 kg 100mph Energy storage Lithium ion battery 47

48 Mercedes Story 48

49 Mercedes NECAR 5 Prototype sorti en places PAC: Ballard Mark 900 de 75 kw Vitesse maximale: 150 km/h Carburant: méthanol reformé à bord développé par XCELLSIS 49

50 Ford FCV PAC : Une nouvelle pile Ballard Mark 902 de nouvelle génération, plus fiable et conçue pour en faciliter la fabrication et l entretien. Elle produit une puissance de 85 kw (117 CV). Un groupe motopropulseur intégré, qui combine un convertisseur, un moteur et une boîte-pont électriques Batteries: composées de 180 batteries «D», logées entre le siège arrière et le réservoir d hydrogène. Réservoir de quatre kilogrammes d hydrogène comprimé. Vitesse maximale: 125 km/h 50

51 Toyota FCHV-4 Configuration hybride PAC de 90 kw Batteries: NiMH Réservoir de H2 comprimé à 250 bars Moteur électrique synchrone à aimants permanents (PM) de 80 kw / 260 Nm Vitesse de pointe > 150 km/h Autonomie : 250 km 51

52 Toyota FCHV-Bus 1/2 Configuration hybride PAC : 2 PAC de 90 kw Batteries: NiMH Réservoir de H 2 comprimé à 250 bars Moteur électrique synchrone à aimants permanents (PM) 52

53 Marché et applications mobiles Programme CUTE: clean Urban Transport NEBUS de Daimler Benz 53

54 Marché et applications mobiles 54

55 Marché et applications portables PC, GSM etc. Principalement basées sur des PAC au méthanol 55