Station-service innovante pour véhicules électriques

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1 Station-service innovante pour véhicules électriques Un concept innovant de connectique modulaire et de changement automatisé de batteries Image : Michel FERRAND 2006 Jean-Christophe FAUROUX fauroux@ifma.fr Tél: Avec la participation des élèves-ingénieurs de l'ifma Guillaume FAZION Thomas BRUANDET Romain CIEMNIEWSKI Présentation Mars

2 Le marché du VE 600 Millions de véhicules sur 10 ans dans le monde En France Parc automobile ancien (renouvellement sur 10 ans), nouvelle génération de véhicules imminente Marché existant : 6900 véhicules en 2004 (Source Avere) 7500 voitures (type Saxo), 2500 scooters, une centaine d'autobus & engins de voirie (Source Ademe) Les batteries Ni-Cd sont interdites depuis le mois de Juin 2006 (concerne 90% de ces VE) Nombreux véhicules sans permis, de tourisme et de type utilitaires. Autres véhicules atypiques mais nombreux. Ex : flottes de voiturettes de golf (Mox Technologies) Venturi Fetish AC-Propulsion TZero 2

3 D'autres véhicules pour Les véhicules hybrides aussi! Véhicules hybrides Un marché effervescent : Toyota Prius 1&2, Chevrolet Volt Toutes les marques préparent au moins un véhicule hybride pour Toyota Prius 3 Chevrolet Volt Honda Insight Notre concept est adaptable également à tous les véhicules hybrides avec un kit d'installation Véhicules électriques Plus de la moitié des constructeurs préparent un véhicule 100% électrique Ex : communiqué de presse de Renault-Nissan, décembre 2006 Ex : Dassault-Bolloré Bluecar, Geneve 2009 Renault Kangoo 2010 Renault Fluence 2010 Bolloré Bluecar V1 Bluecar V2 Flottes : des besoins pas toujours satisfaits Des flottes considérables de VU : France Telecom (25000), La Poste (50300 VL, 460 PL) Des besoins non satisfaits et des expériences ponctuelles de véhicules propres 3

4 Etude de cas : Peugeot Les faits Peugeot distribuera Mitsubishi i-miev par an en Europe dès fin 2010 I-Miev : 130 km/h, autonomie 160km Batterie Lithium ion rechargeable en 7h Coût Japon : $30000 (75% remboursés par état / région) Production : 2000 en 2009, 4000 en 2010 (pas assez de batt.) I-Miev Sport : petite sportive électrique 2 moteurs-roues AV (20kW, 250 Nm) 1 moteur AR (47 kw, 180 Nm) Autres pistes PSA : Moteurs Stop & Start Hybride diesel : Citroën DS5 et Peugeot 3008 Hybrid 4 (2011) Hybride plugin (autonomie électrique : 50km) d'ici 2013 Conséquence et perspectives Un grand constructeur français se lance Version tout électrique : besoin de batteries Pas encore de concept d'échange de batteries Revue de presse 4

5 Etude de cas : Tank Pitstop Les faits 4 février 2008 : lancement du produit Tank Pitstop aux PaysBas en présence de la ministre de l'économie (Maria van der Hoeven) Recharge de carburant robotisée avec détection de la trappe par vision Deux acteurs : Rotec Engineering, PME de type BE en robotique N. van Staveren B.V, distributeur Shell (28 stations aux Pays-Bas) Conséquence pour notre projet Faisabilité de la recharge de carburant robotisée Ordre de grandeur de prix : 75 k Initiative d'envergure moyenne mais très pragmatique Application possible au chargement des batteries Application possible au chargement des batteries Video 5

6 Etude de cas : Renault Les faits 21 janvier 2008 : Carlos Ghosn signe un accord de production de 200 M$ avec Israël pour des Renault électriques Project Better Place (Agassi) pour réduire la dépendance d'israël face aux ressources pétrolières : appui politique! Startup californienne (Palo Alto) Annonce d'un VE Renault-Nissan d'ici 2011, sur base Mégane/Kangoo. Présenté en mai Autonomie 160 km, 110 km/h, km/h en 13'' Batteries Li-Fer-Phosphate d'origine Nissan-NEC bornes de recharge en Israel (simples prises); Extension : Danemark, Japon, Australie, Canada Bornes expérimentales d'échange des batteries + Gestion informatique de location / recharge Conséquences et perspectives Premier pas d'un grand acteur industriel Notre concept s'intègre très bien dans la démarche Prise de contact en cours Revue de presse Video

7 Renault en 2010 Les faits Partenariat Renault-Betterplace toujours vigoureux Une gamme de 4 véhicules Renault Twizy Renault Kangoo Renault Zoé Renault Fluence 420 kg 15 kw 2,3m Autonomie 100km 1520 kg 70 kw 3,9m 130km/h Autonomie 160km 1400 kg 54 kw 4,1m Autonomie 160km 1600 kg 70 kw 4,8m Autonomie 160km Pack batteries Quickdrop Station d'échange en 3 minutes Station Quickdrop Conséquences et perspectives 4 véhicules 4 packs où est le développement durable? Nous proposons une batterie modulaire pour tous Modulaire ou pas, échange en 3 minutes Revue de presse Video Pack batteries Quickdrop 7

8 Battery Management Systems A quoi ça sert Une carte de gestion sur chaque batterie Protection charge / décharge / température. Augmente la durée de vie Surveillance : historique / SOC (State Of Charge) / SOH (State of Health) Performance : régularise le comportement de batteries montées en série Noeuds reliés par bus (CAN, WiFi...) et adressables individuellement S'adapte à toutes les formes (cylindrique / plate / prismatique) Eventuellement : refroidissement actif ou passif Ex : refroidissement passif All Cell Tech Technologie PCM (Phase Change Material) Matériau breveté à base de paraffine dans une matrice graphite Exemple Metric Mind Conséquence et perspectives Notre concept est compatible avec les BMS Gestion indépendante possible et nécessaire Partenaire à trouver sur aspect BMS Revue de presse Refroidissement PCM (Acc Cells Tech) 8

9 La piste des piles au Fluor Les faits Discussion Pr. Hamwi, Université Blaise Pascal, Clermont-Ferrand Batteries primaires (non rechargeables) Lithium avec électrode carbone fluoré Eléments de 3V environ Capacité spécifique 800 Ah/kg quintuple de celle des meilleures batterie Li ion (150 Ah/kg) Variantes de matériaux Cfx pour l'électrode selon la valeur de x : carbones sous-fluorés x=1 : bonne capacité (2000 Wh/kg) / faible puissance (1300 W/kg) x=0.76 : capacité moyenne (1700 Wh/kg) / forte puissance (8000 W/kg) Pour comparaison : batterie Cyclon Pb-Gel acide 32 Wh/kg Bonne tenue en décharge : 6C Résiste au froid extrême (-60 C) Création en 2007 d'une startup CfxBattery (CA/USA) appuyée par Caltech / CNRS Usine de production à Lyon dans les locaux d'arkema CFx Theoretical capacity (mah/g) Commercia l CFx (x=1.0) 865 1C C C C C C C KS15 Carbon Nanofiber Max. Crate available Max. Energy density (Wh/kg) Max. Power density (W/ kg) Conséquence et perspectives Petit inconvénient : par de récupération d'énergie au freinage. Mais l'adjonction d'une petite batterie ou d'une super-capacité résoud le problème Recyclage indispensable (à valider) facilité par le maillon-batterie Partenaire potentiel peu éloigné (Lyon) Enorme avantage : autonomie de 500km enfin envisageable en véhicule électrique 9

10 Concept innovant de station-service pour véhicules électriques Distributeur automatique Scénario d'utilisation Zone de stockage batteries Image : Michel FERRAND 2006 Scénario Le client stationne devant le poste de distribution Un pompiste connecte le véhicule à l'automate (scénario simple), ou... Le client laisse l'automate de connecter au véhicule (scénario évolué) L automate extrait les batteries du véhicule puis insère de nouvelles batteries en moins de 5 minutes Le client paye sa recharge et reprend immédiatement la route 10

11 Concept brevetable de maillon-batterie Une innovation clé dans le domaine de l échange des batteries Le pack-batterie standard Maillon-batterie Concept original de maillon-batterie (analyse brevets Espacenet) Maillons connectés électro-mécaniquement sous forme de chaîne Adaptation à toute forme géométrique de batterie (taille compatible avec celle de la trappe de chargement) Adaptation à toute technologie de batterie existante ou à venir Carte de contrôle charge-décharge par maillon Suivi personnalisé des batteries usagées dans un pack La masse embarquée de batteries correspond à l'autonomie souhaitée : contrairement aux packs on n'embarque que ce dont on à besoin Permet un recyclage sélectif des maillons prématurément usés Permet l'appariement de batteries avec le même degré d'usure Connectique innovante inter-maillons Un maillon batterie Cet encapsulage modulaire des batterie est le concept-clé du brevet 11

12 Intégration véhicule Une adaptation à tous et pour tous Post-équipement Installation simple sur les véhicules existants sans dommage à la structure porteuse Intégration discrète : orifice de charge gros comme une trappe à essence Adaptation mécanique à toute forme de réservoir de VE, y compris réservoirs multiples (masse bien répartie) Adaptation électrique à toute forme de moteur électrique de VE. L'adaptation de tension est parfaitement gérée Pré-équipement Une solution à la faible autonomie actuelle des VE Diminution sensible du coût d'exploitation d'un VE Solution pragmatique avec les technologies actuelles Un concept universel s'intercalant entre batteries et véhicules et permettant une adaptation des unes aux autres avec des garanties de pérennité et aucune reconception ni des unes, ni des autres 12

13 Scénarios d'utilisation Scénario 1 : un seul VE par famille Recyclage des seuls modules usés développement durable Trajet bureau-maison faible chargement de batteries Trajet vacances pleine capacité Scénario 2 : deux VE Deux VE dans la famille (capacité réservoirs modules) Investissement dans un lot de 300 modules pour ne jamais être à cours d'énergie Les modules sont stockés dans un chargeur (extensible en capacité) qui sert aussi d'onduleur pour la maison et de source d'énergie pour la grille régionale Scénario 3 : renouvellement de véhicule électrique Passage d'un Kangoo à une Fluence On conserve 300 modules usés à 50% On achète au gestionnaire de batteries 100 modules complémentaires d'occasion Scénario 4 : livraison à domicile de batteries On livre bien le lait et le fioul, pourquoi pas des batteries? Un orifice format «boîte aux lettres» en façade extérieure de garage Scénario 5 : un déplacement longue distance à l'étranger (1000 km) A la station service, choix de batteries primaires très haute capacité au fluor (prix en conséquence) Après usage, les batteries sont recyclées (carbone et fluor sont des matériaux neutres) 13

14 Projet collaboratif Etapes du montage Choix d'un format Projet de recherche : projet ANR, projet européen Projet technologique : FUI Protection par brevet Recommandée en ces temps d'effervescence électrique Brevet France + extension PCT, notamment USA, Chine, Israël Convaincre des partenaires industriels Constructeurs et sous-traitants automobiles Fabricants de connectique lourde Constructeurs de batteries / BMS Convaincre des clients Grandes entreprises, collectivités gérant des flottes de véhicules Distributeurs d énergie électrique (EDF, POWEO ) Stations services / Supermarchés (Leclerc, Auchan...) ZI ou conglomérat d utilisateurs particuliers Démonstrateurs... Démonstrateur connectique Batteries Maillons Connectique Distributeur de batteries modulaires Démonstrateur distributeur Bientôt......en s'appuyant sur les ressources de l'ifma et de la fédération de recherche TIMS Transfert batteries Trappe

15 La fédération de recherche TIMS CNRS 2856 et le grand projet de recherche Véhicules et Infrastructures Innovants (V2I) cherchent des partenaires pour développer ensemble cette innovation durable