Utilisation des techniques ITS dans les véhicules électriques Nécessité de systèmes compatibles pour les véhicules et l infrastructure

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1 Utilisation des techniques ITS dans les véhicules électriques Nécessité de systèmes compatibles pour les véhicules et l infrastructure Pierre Malaterre Introduction En proposant un papier sur la jonction entre les deux sujets Véhicule Electrique (VE) et Intelligent Transport Systems (ITS) je ne me rendais pas compte de la délicatesse de la tâche. Dans le monde des transports et en particulier de l automobile on parle de ces deux sujets depuis plus de vingt ans un siècle passé pour la voiture électrique de Jenatzy : «la jamais contente». Par contre le développement industriel se fait attendre. La raréfaction des ressources pétrolières, la pollution, les rejets de CO² sont les raisons première de l engouement autour du véhicule électrique (VE). Un consensus s est fait jour Il faut des véhicules non polluants : donc électrique. Le sigle ZE est donné pour zéro émission.tous les gouvernements ont soutenu peu ou prou cette tendance. De la même manière les encombrements, les pertes de temps dans les routes encombrées, ont fait penser que les ITS pourraient bien aider à rendre la mobilité plus performante efficace et écologique La technologie est là : batteries au lithium, moteurs brushless à très haut rendement, électronique de puissance mature, réseaux de transmission de données multiples et performants, informatique très développée, internet accessible partout Tout Pourtant cela ne démarre pas En vingt ans seuls les systèmes de navigations utilisant le positionnement GPS et les informations trafic sur la bande FM ont un marché grand public L utilisation des techniques ITS en proposant des services nouveaux vont décider le public de franchir le pas vers les VE Une autre vérité évidente quelle que soit la marque du véhicule électrique il doit pouvoir être utilisé partout. Ce papier va décrire ce qui est déjà engagé pour rendre possible le succès et l interopérabilité des véhicules électriques Statut actuel des Véhicules électriques et des ITS Technique Que sont les véhicules électriques? Sans entrer dans des détails on considère d une part les VE Electrique pur et les hybrides qui ont un moteur thermique utilisé soit pour se déplacer soit pour recharger les batteries. Donnons quelques rappels techniques. Les véhicules électriques de petite ou moyenne taille ont une puissance de l ordre de 20 à 50 kw. Leur émission de polluants aux cent km est théoriquement nulle. Mais n oublions pas que l électricité pour être produite dégage des polluants Congrés ATEC ITS France 2014 : Les rencontres de la mobilité intelligente Page 1

2 Suivant le type de centrale électrique et l origine de l énergie des résultats très différents existent Origine Nucléaire Gaz Fuel Charbon g CO² /kwh En France où l électricité est produite à 75% par le nucléaire ; la voiture électrique peut être créditée de 10g de CO² par km, en Chine c est 45 fois plus mauvais. La comparaison avec les véhicules thermiques varie d excellent à mauvais, la valeur moyenne du parc thermique est autour de 140 g de CO² par km La recharge des batteries des VE correspond à une énergie de 20 à 100 kwh suivant la puissance du véhicule. Si nous partons sur une charge lente une prise domestique «dite 16 A 220V» nous donnera environ 30 kwh en dix heures. Si nous voulons une charge rapide pour la même énergie il faudra disposer d une source fournissant une puissance de 60 kw pendant une demi-heure ou 180 kw pendant 10mn. Les batteries au Lithium utilisées actuellement permettent cette recharge très rapide. Ces quelques rappels de physique élémentaire mettent en perspectives les problèmes de base des VE L autonomie reste pour l usager un point important. Un véhicule électrique a une autonomie de l ordre de 100 à 200 km. L usage urbain ou péri-urbain est de l ordre de 30 à 60 km par jour. Le problème reste pour les longs trajets où un véhicule thermique a une autonomie de 600 à 1000km. Ces ordres de grandeurs sont valable pour les véhicules hybrides.un mix sera fait selon que la charge est faite par un chargeur relié au réseau d électricité ou bien si le moteur thermique est utilisé pour recharger. Les véhicules électriques profitent de certains avantages récupération d énergie au freinage system Start and Stop, pas de perte dans la boite de vitesse non indispensable mais ceci peut aussi exister sur les véhicules thermiques. Pour ce qui est du prix de revient un certain nombre d éléments sont moins cher le moteur et la chaine de transmission. Le réservoir à carburant a été remplacé par une batterie d accumulateurs. C est là que tout bascule car la batterie coute de à Sans les primes et aides gouvernementale les VE sont difficile à vendre. Passons aux systèmes de recharge des batteries. Il faut d une part assurer le transfert d énergie à la batterie et d(autre part contrôler l état de charge pour assure la sécurité et garantir la durée de vie de la batterie. Divers concepts existent Les problèmes à régler sont d ordre divers. Il faut que le réseau électrique soit capable de fournir la puissance. Un point de charge peut correspondre à la puissance souscrite par un particulier, mais la consommation est non stop pendant 10H. On peut arriver rapidement à une impossibilité si beaucoup de véhicules électriques sont dans le même secteur. Dans le cas de chargeurs rapides le problème devient plus crucial. L utilisation de smart grid va s imposer pour gérer la disponibilité de l énergie. On considère que véhicules absorbent 2GW soit deux tranches nucléaires. La compatibilité Electromagnétique est à surveiller de près. Car toutes les techniques de régulations sont basées sur des systèmes à découpage générateurs de parasites électriques. C est l usager qui va connecter son véhicule sur le chargeur : les problèmes de sécurité sont importants Ensuite il faut mesurer l état de la charge de la batterie et ensuite contrôler la charge proprement dite. Soit le système de contrôle est dans le véhicule soit il est dans le chargeur Congrés ATEC ITS France 2014 : Les rencontres de la mobilité intelligente Page 2

3 Cela entraine des problèmes de responsabilité en cas de panne et de coût du chargeur qui est soit payé par la borne soit payé par le véhicule. Toute cette électricité n est pas gratuite il faut un processus pour assurer le début, la fin de la charge et aussi le comptage de l énergie, et la transmission des données à distance. Le dernier point le plus critique tout véhicule doit pouvoir se recharger sur n importe quelle borne. Du point de vue de l utilisateur c est évident mais beaucoup d industriels ou d entreprise de services ne voient pas d un bon œil la compatibilité. Marché actuel Depuis 20 ans des prévisions à court terme font rêver. Mais chaque deux ans on constate hélas que demain c est toujours pour demain En fait on a vendu VE depuis 10 ans et cela dans le monde entier. Les régions les plus motivée : Etats Unis, Europe (en particulier la France)et le Japon. La France représente 35%du marché du véhicule électrique Européen soit : Année VE vendus en France Fin septembre 2013 on en est à 6318 VE soit 0,5 % du marché français.soit une moyenne de l ordre de 850 par mois en VE en thermique. Une très grande partie de ces ventes sont faites à des administrations ou entreprises parapubliques et une autre partie à des opérateurs de véhicules loués ou en «auto partage» Le marché en France des véhicules hybrides est de par an (2,5%) L écart de prix entre un véhicule thermique et un VE ne s amortit pas forcement sur l économie réalisée en tenant compte du prix de l essence/gazole et du prix de l électricité. Qui oserait parier sur le fait que l électricité ne subira jamais une sorte de «TIPP»? Quant est-il des bornes de recharge? Aux USA il doit y avoir bornes et 5800 en France fin 2013.Le prix d une borne soit chez le particulier, soit en site public va de 700 à Les implentations en France Année Nombre de Bornes En Europe les prévisions donnent en nombre de points de charge Pays Austria Germany France Italie UK Hollande Portugal Belgique Spain M 2000 K 200 K 1,5 M 200 K 200 K 20 K 2,5 M Ces derniers chiffres sont issus de prévisions volontaristes de l Europe. En terme de marché et de production de masse une difficulté énorme reste. Si aux Etats Unis les bornes sont standards et accueillent tout type de véhicule électrique, et au Japon aussi, en Europe ce n est pas le cas. En France c est inquiétant, chaque région ou ville a son standard. Les états ont incité les industriels à développer les VE, avec des subventions : 2,4 Milliard $ aux USA et 15 Milliard $ en Chine. La commission Européenne a fortement pesé pour que le Congrés ATEC ITS France 2014 : Les rencontres de la mobilité intelligente Page 3

4 VE se développe en utilisant des infrastructures de charge standard et en vulgarisant les ITS. Partout avec un but diminuer les émissions de polluants et améliorer la mobilité des citoyens Nous allons aborder ses sujets dans la partie Normalisation. Pour ne pas perdre espoir souvenons nous qu au début du siècle les véhicules thermiques étaient chers, que l infrastructure de livraison d essence était à son début, que la fiabilité n était pas bonne et pourtant le développement a été assez rapide Normalisation Les acteurs de la normalisation sont nombreux. Il s agit d organismes technico scientifiques peu ou prou rattaché à l ONU Une multitude d experts extérieurs apporte la connaissance technique ou scientifique des divers sujets. Ils appartiennent à des pays et à des sociétés, ce qui fait que la science cède parfois le pas devant des contraintes mercantiles. Par exemple en Europe les règlements édictés par la Commission utilisent comme annexe technique les normes internationales. Il est ainsi parfois plus facile de faire passer à l ISO une spécification technique favorable à son pays, plutôt que de se battre à Bruxelles ; certains pays l ont bien compris Les acteurs internationaux : ISO tous les sujets ; IEC Electricité ; UIT Télécommunication CEN CENELEC ETSI Les homologues Européen DIN ANSI BSI AFNOR UTE les homologues par Pays SAE(US) ; JSAE(Jp) ; FAKRA(Germ) ; BNA(Fr) Bureau des normes Automobiles par pays En général les découpages vont en partant du plus large au plus spécialisé TC technical committee, SC Sub Committee WG Working group ; TF task Force Exemple : TC22 Vehicules routiers le plus general TC22/SC21 Vehicules electriques niveau un peu plus détaillé Les véhicules électriques sont traités à l ISO au sein des TC22/SC3 et TC22/SC21et de l IEC TC69 et IEC TC64. L ISO et l IEC ont fait des groupes joints car dans vehicule électrique il y a Vehicule (TC22) et Electricité (IEC) Les ITS sont normalisés au sein de l ISO TC204 et dans son shadow groupe au CEN le TC278 Les USA ont décidés que les normes développées par la SAE (organisme homologue de la FAKRA ou du BNA en charge des véhicules) sont obligatoires pour homologuer un VE aux USA. C est simple et efficace La Commission Européenne a édité un certain nombre de Mandat visant le véhicule électrique les bornes de charge, les IRS, et les smart grid.tout cela avec le but de diminuer l émission de polluants. M/441 Smart Grid M/453 ITS ISO TC204 WG18 Cooperative Systems M/468 Mandate to CEN, CENELEC and ETSI concerning the charging of electric vehicles Congrés ATEC ITS France 2014 : Les rencontres de la mobilité intelligente Page 4

5 M/490 European Smart Grid deployment Ces mandats sont assez récents de 1 à 5 ans. Certains travaux sont censés etre terminé! L Eu a donné les mandats à des organismes qui en fait ont sous-traité à l ISO IEC et UIT Normalisation VE et Chargeur Depuis 5 ans la plupart des normes nécessaires ont été réalisées. Bien sur divers groupement ont essayé d influencer les textes normatifs : CHAdEMO, EV plug Alliance, Mennekes, SAE, Combo. Les discussions ne sont pas closes mais il est à craindre que les positions Françaises ne soient pas retenues pour ce qui est de l Europe. Aux USA c est simple Sont normalisés : Taille et constitution des batteries Test des batteries Sécurités des batteries Recyclage Batteries et Véhicule Mesure de puissance et autonomie des véhicules électriques Emission et protection radio électriques Systèmes de charge Communication vehicule chargeur Communication VE/chargeur/Smart Grid Systemes ITS systemes de Communication ITS organisation de réseau ITS codage des données ITS quelques fonctions Cette image donne une idée des acteurs de la filière Véhicule électrique Exchange Battery Station ISO TC22/SC21 Norme ISO 12405,.. ISO TC22 SC3 WG1 et TC 204 JWG ISO/IEC V2G-CI Norme ISO Data Trans-mission Compo-nents incl. Batteries Grid VE/ Infrastructures Charge Spots Car Mainten-ance and Repair IEC TC69,.. Normes IEC IEC SAE J1772 IEC Accidents and Disposal ISO TC 22/SC3/WG1 Servicing ISO TC Congrés ATEC ITS France 2014 : Les rencontres de la mobilité intelligente Page 5

6 Pour ce qui est de la charge des batteries l essentiel est fait et les normes ISO et SAE sont quasi identiques. Elles permettent de définir : les modes de charge au nombre de 4 (Courant alternatif ou continu et sans contact), diverses puissance, le processus de contrôle de charge, la communication entre le véhicule et la borne de charge et entre la borne et le réseau, les protocole de communication pour assurer la reconnaissance de l abonné et la facturation Quelques normes : 1 Prise Véhicule : IEC et 2 SAE J1772 UL 2251 Prise Daimler Mennekes 1 Prise Véhicule : IEC et 2 SAE J1772 UL 2251 Prise Daimler Mennekes 2 Chargeur : IEC et 21 IEC et 2 IEC Ed 2.0 IEC Ed Batterie : IEC / 2 / 3 IEC / IEC / IEC IEC et 2 ISO et 2 (Lithium-Ion) UL 1642 / 2580 SAE J240 / J537 / J551 / J1742 / J1766 / J1798 / J2289 / J2293 / J2344 / J2380 / J bis Stockage : ISO / 2 / 3 5 Câble Véhicule : IEC / 2 / 3 / 4 / 6 UL 62 UL 2594 UL bis Communication Véhicule : ISO/IEC JWG V2G CI «Vehicule to Grid» PWI IEC 69-1 Ed 1.0I (EC ) Home Plug PLC EDF IEEE Et quelques images de prises «normalisées» Prise ISO 62196, prise domestique, prise J1772, prise combo Congrés ATEC ITS France 2014 : Les rencontres de la mobilité intelligente Page 6

7 Normalisation ITS Les ITS ont développé un certain nombre de standards au sein de l ISO TC204, qui est réparti en 18 Working Group. On y trouve tout ce qui concerne les transports publics ou privés : Identification de véhicules, gestion et suivi du fret, système de paiement pour les transports publics ( trains, metro ) Cartographie numérique et utilisation du GPS, réseau de communication véhicule infrastructure (CALM), récupération des données véhicules (probe data), systèmes coopératifs, péage autoroutier et péage par suivi des véhicules systèmes de sécurité suivi de ligne blanche évitement de collision, vitesse contextuelle, Tachographe ( en liaison avec le TC22) En fait tout ceci peut bien entendu être utilisé pour le VE. La figure suivante montre quels sont les acteurs et les moyens de communications satellite Broadcast GPS Terrestrial Broadcast Portable Internet cellular Portable Internet cellular Hot-Spot (Wireless LAN) RSE RSE RSE 5.8GHz DSRC portable-tovehicle 5GHz * RSE-to- Wireless LAN RSE * vehicle-to-vehicle * (Wireless LAN or 60GHz) RSE CALM IR * Pour tous les liens montrés dans cette figure il existe des normes de communication allant jusqu au niveau 3 à 5 de l OSI. L ensemble des standards CALM couvrent ce schéma Nous allons donner une liste de fonctions et de services qui probablement vont aider à la diffusion des VE Localisation et routage à énergie électrique minimum Calcul de l autonomie restante Localisation des parkings avec bornes de recharge Borne de recharge disponible et réservation à distance Monitoring et dépannage à distance Facturation des VE en autopartage Gestion de l énergie dispensée par les smart grid Transfert d énergie bidirectionnel - batterie /réseau et réseau/batterie Voici quelques standards développés par l ISO TC204 utilisables pour des véhicules électriques : Congrés ATEC ITS France 2014 : Les rencontres de la mobilité intelligente Page 7

8 ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO Adaptative Cruise Control system Forward Vehicle Collision warning system Maneuvering aid for low speed operation Fundamental ITS service Navigation API Basic AVI Lane change decision aid Lane departure warning system Full range ACC CALM Direct mode / Internet CALM CALM Architecture CALM Networking Probe Data Mobile phone E call En guise de conclusion : comme indiqué au début de ce texte le marché étant très faible aucun service sérieux n a été développé? Mais beaucoup de gouvernements tiennent à promouvoir une mobilité non polluante. Les technologies étant disponibles autant pour le VE que pour les ITS on peut espérer que d ici 2020 l usage du VE sera entré dans les mœurs. Il faudra un fort intérêt des pouvoir publics pour faire décoller le véhicule électrique et les ITS Pierre Malaterre Congrés ATEC ITS France 2014 : Les rencontres de la mobilité intelligente Page 8