Le moteur roue électrique dans les transports terrestres

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1 Le moteur roue électrique dans les transports terrestres Robert BERNARD Directeur, NOVELTÉ Système, 6 avenue des usines BELFORT robert.bernard@novelte-systeme.fr En collaboration avec : Christophe ESPANET Professeur, Université de Franche-Comté Institut FEMTO-ST, département ENISYS christophe.espanet@univ-fcomte.fr 1

2 Moteurs électriques intégrés dans les roues - Agenda 1. Architectures des véhicules électriques et hybrides 2. Intérêts et limites des 3. Contraintes de dimensionnement des 4. Quelques exemples de 2

3 Moteurs électriques intégrés dans les roues - Agenda 1. Architectures des véhicules électriques et hybrides 2. Intérêts et limites des 3. Contraintes de dimensionnement des 4. Quelques exemples de 3

4 1. Architectures des véhicules électriques et hybrides Architecture directement issue du véhicule traditionnel Embrayage Solution très proche des véhicules traditionnels Réduction du couple max et de la puissance max Moteur électrique Boite de vitesse Différentiel MAIS Creux de couple Mauvaise utilisation des propriétés intrinsèques des entrainements électriques 4

5 1. Architectures des véhicules électriques et hybrides Suppression de la boite de vitesse Suppression de l embrayage Solution toujours très proche d un véhicule traditionnel Moteur électrique Réducteur fixe Différentiel MAIS Encombrement de la fonction motrice Rendement, bruit et fiabilité de la transmission Pas de contrôle indépendant de chaque roue 5

6 1. Architectures des véhicules électriques et hybrides Disposition des moteurs à proximité des roues Réducteur Moteur électrique Contrôle indépendant des roues (2 voire 4) Utilisation possible d un réducteur de façon simple MAIS Moteur électrique Réducteur Architecture véhicule en rupture Rendement du réducteur Encombrement local 6

7 1. Architectures des véhicules électriques et hybrides Simplification ultime : intégration du moteur (et éventuellement du réducteur) dans la roue Moteur-roue Moteur-roue Contrôle indépendant des roues (2 voire 4) Grande compacité de la fonction motrice Rendement optimal de la «transmission» MAIS Moteur-roue Moteur-roue Difficultés d intégration Contraintes importantes sur le moteur (surtout en l absence de réducteur) 7

8 1. Architectures des véhicules électriques et hybrides Réalisation possible d une chaîne hybride simplifiée (plug in) Moteur-roue Embrayage Projet ANR PHÉBUS, (AIXAM, FEMTO, NSI, NOVELTÉ) Moteur thermique Boite de vitesse Différentiel Moteur-roue General Motors, 2006 Électrification simple du train arrière Propulsion électrique + récupération d énergie au freinage 8

9 Moteurs électriques intégrés dans les roues - Agenda 1. Architectures des véhicules électriques et hybrides 2. Intérêts et limites des 3. Contraintes de dimensionnement des 4. Quelques exemples de 9

10 Principaux avantages du moteur-roue 2. Intérêts et limites des Compacité de la fonction motrice permet de libérer de la place pour les sources d énergie électrique Suppression de la transmission mécanique rendement élevé car le moteur entraine directement les roues diminution du bruit, amélioration de la fiabilité Possibilité de contrôle vraiment indépendant de chaque roue réalisation simple de fonction avancée : antipatinage, répartition du couple possibilité de pivot 10

11 Problème des masses non suspendues 2. Intérêts et limites des Amortissement du véhicule Amortissement du pneu Le véhicule, son pneu et sa suspension constituent un système oscillant Masse non suspendue irrégularité de la route déformation du pneu et de l amortisseur Si l effet inertiel de la masse m 1 est trop grand : risque de décollement du pneu (tenue de route) fréquence des oscillations plus basse (les oscillations durent plus longtemps) confort 11

12 Moteurs électriques intégrés dans les roues - Agenda 1. Architectures des véhicules électriques et hybrides 2. Intérêts et limites des 3. Contraintes de dimensionnement des 4. Quelques exemples de 12

13 3. Contraintes de dimensionnement des Optimisation de l encombrement et de la masse Le volume est limité par l encombrement de la roue En l absence de réducteur le couple doit être très important machines à forte polarité et faible vitesse En présence de réducteur, il faut intégrer le réducteur mais la machine est moins volumineuse car elle doit fournir moins de couple machines rapides à faible polarité Encombrement limité + fort couple = forts échauffements difficulté pour refroidir le moteur et intégrer le système de refroidissement 13

14 3. Contraintes de dimensionnement des Optimisation de l ensemble machine-convertisseur T T max impose le volume et les Ampère-tours max : (n.i) max Zone de fonctionnement à puissance max constante Ω d : vitesse pour laquelle on atteint la tension maximale disponible (l augmentation de la vitesse se fait par défluxage pour Ω > Ω d ) Pour une tension max donnée Plus Ω d est faible, plus le nombre de spires n peut être élevé et donc plus le courant I max peut être faible pour des (n.i) max fixés Cela permet de limiter le dimensionnement des interrupteurs de puissance et de la connectique Ω 14

15 3. Contraintes de dimensionnement des Les différentes motorisations possibles Critère MCC MAS MSRB MSAP MRV Couple Rendement - - +/ Possibilité de vitesse élevée Facilité du refroidissement Facilité du défluxage - +/- - +/ / /- +/- Robustesse Coût

16 Moteurs électriques intégrés dans les roues - Agenda 1. Architectures des véhicules électriques et hybrides 2. Intérêts et limites des 3. Contraintes de dimensionnement des 4. Quelques exemples de 16

17 Le moteur-roue : une idée ancienne 4. Quelques exemples de 17

18 4. Quelques exemples de L application la plus répandue : le vélo à assistance électrique Le plus souvent : Wavecrest Laboratories, 2005 Moteur synchrone à aimants permanents en surface Attaque directe Puissance de 150 à 250 W Vitesse de 200 à 250 tr/min Refroidissement par convection naturelle 18

19 Moteur-roue Ez-Wheel (07/2010) 4. Quelques exemples de Le concept : Roue électrique autonome en énergie Batteries intégrées 24V-NiMH (SAFT) Électronique puissance et contrôle intégrées (Wifi) Moteur synchrone à aimants (LS) Réducteur (ratio de 5) Puissance de 300 W C max de 70 Nm Refroidissement par convection naturelle 19

20 Moteur-roue asynchrone d ALSTOM 4. Quelques exemples de ALSTOM CIVIS, 1999 Moteur asynchrone + réducteur kw Vitesse max : 9200 tr/min Couple max : 500 N.m Refroidissement par convection forcée (eau + glycol) Masse : 120 kg 20

21 4. Quelques exemples de Moteur-roue TM4 : technologie et exemple de véhicule Concept Quark (VE), PSA Moteurs-roues (MR) synchrone à aimants permanents Attaque directe, structure non inversée Refroidissement par air Puissance nom/puissance max par MR : 2.5 kw/10 kw Couple max par MR : 100 Nm VL de 425 kg 110 km/h 21

22 4. Quelques exemples de Moteur-roue TM4 : technologie et exemple de véhicule Concept Car C-Métisse (VH), PSA MR synchrone à aimants permanents sur le train AR Attaque directe, structure non inversée Refroidissement par liquide Puissance nom par MR : 15 kw Couple max par MR : 300 Nm Ω max : 1900 tr/min. 22

23 Moteur-roue Magnet Motors : technologie M69 * Continuous power: 120 kw * Maximum torque: 2130 Nm * Speed: 3210 rpm * Dimensions: Ø 478mm x 180 mm * Weight: 90 kg * Liquid cooling M70 * Continuous power: 50 kw * Maximum torque: 1050 Nm * Speed: 2200 rpm * Dimensions: Ø 437mm x 134 mm * Weight: 34 kg * Liquid cooling 4. Quelques exemples de Moteur synchrone à aimants permanents et rotor extérieur Aimants montés en surface Bobinages concentrés refroidis par liquide Grand entrefer 23

24 4. Quelques exemples de Moteur-roue Magnet Motors : exemples de véhicules VT 8x8 E-Drive 1987 DPE 6x6, DGA x8 E-Drive, R.S.A 1997 Essentiellement des véhicules lourds avec de nombreux (jusqu à 8) 24

25 Active wheel de Michelin : structure générale 4. Quelques exemples de Machine à aimants permanents à rotor intérieur à concentration de flux Puissance : 30 kw continue Vitesse : tr/min Fréquence : 900 Hz Masse totale : 5,8 kg Densité de puissance : 5,20 kw/kg Refroidissement à eau 25

26 4. Quelques exemples de Active wheel de Michelin : deux exemples de véhicules Mondial Automobile Paris 2008 Véhicule urbain : Heuliez WILL Véhicule de sport Venturi Volage Projet VELV avec PSA (Véhicule Électrique Léger de Ville), Fond démonstrateur ADEME, 3 démonstrateurs pour fin

27 4. Quelques exemples de Moteurs NOVELTÉ / FEMTO : trois technologies développées Moteur synchrone à AP en surface Rotor extérieur 30 kw 420 tr/min. max Nm max en direct pendant 1 min. Liquid cooling Moteur synchrone à AP en surface Rotor extérieur avec réducteur intégré 45 kw 435 tr/min. max N.m max pendant 20 s Moteur à réluctance excités à effet Vernier et rebouclage transversal du flux Rotor extérieur 30 kw 400 tr/min max Nm max pendant 1 min. sans réducteur Liquid cooling Liquid cooling 27

28 4. Quelques exemples de Moteurs NOVELTE / FEMTO : Moteur-roue du projet Phébus Moteur synchrone à aimants permanents Attaque directe - Rotor extérieur Couple max : 240 Nm Frein à tambour intégré Refroidissement à air Rend >95% Puissance nom/max : 1,5 kw/4,5 kw Masse additionnelle : 12 kg 28

29 Conclusions Moteur-roue architecture véhicule de rupture (compacité de la fonction motrice, pas de transmission, nouvelles fonctionnalités) Nécessité de motorisations fortement optimisées (fort couple dans un faible encombrement, refroidissement très poussé, défluxage) machines à aimants dans la (quasi) totalité des cas Limites actuelles : coût (grande série) et vulnérabilité de la fonction motrice 29

30 Conclusions 788 CV électriques! 330 km/h maxi Couple de 1600 Nm sur les 4 roues, km/h en 3,4 s 4 Moteurs roues de 197 CV 400 Nm 50 kg 30