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VEHICULES ELECTRIQUES, HYBRIDES ET A PILE A COMBUSTIBLEPartie 1: Moteurs et véhicules électriques
Pierre Duysinx
Université de Liège
Année Académique 2017-2018
1
Références bibliographiques
R. Bosch. « Automotive Handbook ». 5th edition. 2002. Society of Automotive Engineers (SAE)
C.C. Chan and K.T. Chau. « Modern Electric Vehicle Technology » Oxford Science Technology. 2001.
R. Kaller & J.-M. Allenbach. Traction électrique. Presses Polytechniques et Universitaires Romandes. Vol 1 et 2. 1995.
Le véhicule électrique. Educauto. www.educauto.org
2
Plan de l’exposé
Introduction
Historique
Traction électrique des véhicules routiers
Motorisation électrique
Moteurs DC
Moteurs AC asynchrones
Moteurs AC synchrones
Systèmes de stockage d’énergie
Batteries
Supercondensateurs
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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
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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 H2 – O2
La pile réelle: rendement
Applications mobiles
5
Historique
1839: Robert Anderson (Aberdeen) construit la première voiture électrique
1870 : Sir David Salomon développe une voiture avec un petit moteur électrique et de grosses batteries. La vitesse et l’autonomie sont faibles.
Invention de véhicules électriques plus pratiques par l’américain Thomas Davenport et l’écossais Robert Davidson vers 1884. Les inventeurs utilisent des batteries non rechargeables
The first practical electric car may have been built by the English inventor Thomas Parker in 1884.
7
Historique
L’inventeur français Gaston Planté invente un système de stockage d’énergie en 1865. Son ami et compatriote. Camille Faure améliore la capacité de stockage en 1881. Ces systèmes de stockage prépare le terrain pour les futurs véhicules électriques.
1890 – 1910 – Période d’amélioration significatives des technologies des batteries. H. Tudor invente la batterie acide-plomb tandis que Edison et Jungerinventent la batteries au Nickel Fer
Les véhicules électriques vont alors détenir tous les records jusqu’en 1900.
Bailey electric car powered by Edison’s
NiZn batteries8
Historique – Voiture électrique
1899 : La première voiture àdépasser le cap des 100km/h (105,88 km/h) estélectrique. Son nom : la«Jamais contente». Conduitepar le pilote belge CamilleJenatzy, elle est conçue enpartinium (aluminium laminé)et carrossée par Rothschild
9
Historique
1899: Un constructeur liégeois, Pieper, introduit une « voiturette » 3,5 chevaux vapeurs dans laquelle le petit moteur à essence est couplé à une moteur électrique sous les sièges.
Dès 1905-1906 Henri Pieper crée les automobiles pétroléo électriques, premières voitures combinant une motorisation thermique avec un moteur électrique
Les brevets de Pieper sont utilisés par une firme belge Auto-Mixte (située à Nessonvaux), qui construit des véhicules commerciaux entre 1906 et 1912.
10
Historique
1904: Henry Ford supprime les inconvénients de moteurs à pistons et commence la production en série de véhicules thermiques à des prix relativement bas
1913: Avec l’avènement du démarreur autonome (facilitant le démarrage des moteurs à pistons) le moteur à pistons balaie les véhicules à vapeur et les véhicules électriques.
11
Historique
1913 : Ford vend 182.809 Ford T, une voiture à essence alors que les ventes totales de véhicules électriques tombent à 6.000 unités.
1920-1965: Période de sommeil pour la production de véhicules électriques et hybrides.
1966: Le Congrès américain introduit les premiers billets recommandant l’utilisation des véhicules électriques pour réduire la pollution urbaine.
1973: Premier choc pétrolier. Le prix du carburant qui monte ravive l’intérêt pour les véhicules électriques.
12
Historique
1982: « All about Electric & Hybrid Cars ». Robert J. Taister souligne que les problème des batteries pourrait être résolus en installant une génératrice pour charger automatiquement les batteries lorsque la voiture est en descente.
1991: The United States Advanced Battery Consortium (USABC) et un département de l’Énergie démarre un programme pour produire des « super »batteries pour aboutir à des véhicules électriques viables. L’USABC investit $90 Millions dans les batteries NiMH qui peuvent faire trois fois plus de cycles que les batteries acide-plomb et peuvent travailler mieux dans des conditions froides.
1992: Toyota signe la « Charte de la Terre » pour développer des véhicules avec les plus faibles émissions possibles
13
Historique
1997: Toyota sort la Toyota Prius au Japon. La vente lors de la première année est de 18.000 véhicules
14
Historique
1997-1999: Quelques véhicules électriques produits par des grands constructeurs sont introduits en Californie (Honda Civic EV, GM EV1, S10 electric pick-up, Ford Ranger, Toyota RAV4 EV). En dépit de l’enthousiasme des quelques acheteurs, les ventes ne dépassent pas les quelques centaines d’unités. La vente des véhicules tout électriques est abandonnée en quelques années.
15
Historique
1999: Honda sort la Honda Insight, le premier véhicule hybride vendu sur les USA.
2000: Toyota introduit la Prius I aux USA.
2002: Honda propose la Honda Civic hybride son deuxième modèle hybride. Il a l’apparence des Honda Civic ordinaire et le même plaisir de conduite.
Honda InsightPrius I Honda Civic 16
Historique
2004: La Toyota Prius II récolte de nombreux prix, dont celui de la voiture de l’année. A la grande surprise de Toyota, la voiture est vendue plus de 47 000 exemplaires la première année sur le marché américain.
2005: Sortie du Ford Escape, premier SUV hybride. Il est suivi de la sortie de Lexus RX400h, du Lexus GS300h etc.
Lexus RX400hToyota Prius II Ford Escape 17
Historique
2008: la crise financière frappe durement les constructeurs automobiles. Les aides des états sont largement conditionnées par la création de véhicules propres.
2008: L’achat de véhicules propres est largement subventionné. En Belgique remise de 15% sur les véhicules de moins de 99gCO2/km.
2012 : Contrairement aux attentes, les constructeurs se
lancent dans le développement de véhicules électriques purs.
2020 : Les véhicules hybrides attendent l’arrivée des
véhicules hybrides rechargeables à la prise pour réaliser effectivement des scores environnementaux plus favorables
18
Historique: véhicules électriques
Renault Twizzy, Zéro, Fluence, KangooNissan Leaf
Smart EVMitsubishi Miev, Citroën C-zéro, Peugeot ion Tesla 19
Historique : Les cycles et quadricycles
Reva electric Zen car
Vélo électrique Scooter électriqueSegway
Renault Twizzy
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Historique: Hybrides plug-in
Opel Ampera Toyota Prius Plug-in hybrid
Imperia GP 22Volvo V60 Plug-in hybrid
Historique – Voiture électrique
Vente de véhicules électriques (VE + PHEV) :Jusqu’à 26% des ventes de véhicules en Belgique en 2020 24
Chaînes de traction électrique
Actuellement trois solutions de véhicules existent et se différentient par leur chaîne de traction
TRACTION ELECTRIQUE PURE
Montage sur véhicules légers de série, poids lourds, chariots élévateurs, tracteurs aérogares, tracteurs de bagages et deux roues…
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CHAÎNES DE TRACTION ÉLECTRIQUE HYBRIDE
TRACTION BI-MODE ou HYBRIDE PARALLELE
La traction thermique est utilisée hors des villes tandis que la traction électrique s’utilise en ville
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CHAÎNES DE TRACTION ÉLECTRIQUE HYBRIDE
TRACTION HYBRIDE SERIE
Le moteur thermique (à piston ou turbine à gaz) entraîne un groupe électrogène qui recharge en permanence un groupe de batteries.
Les batteries débitent sur un moteur électrique de traction
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Moteurs électriques pour véhicules routiers
Avantages:
Pollution directe nulle, application urbaine
Faibles émissions de bruit
Transmission très simple (pas de boîte de vitesses), régulation en vitesse et en effort
Récupération d’énergie au freinage
Grand couple à bas régime
Souplesse de fonctionnement
Solution idéale si alimentation possible (ex caténaire des trains)
Désavantages:
Poids et coût des batteries
Rayon d’action limité (200 km max)
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Moteurs électriques pour véhicules routiers Avantages
Parfaitement adapté à la circulation urbaine
Zéro Emission locale
Confort de conduite
Grande efficacité énergétique
Coût de l’énergie faible : 20 kWh/100 km
Désavantages:
Nouvelles habitudes des consommateurs
Temps de recharge (1 à 6 heures)
Autonomie entre 130 km et 200 km (fortement dépendante des conditions climatiques)
Offre limitée sur le marché
Durabilité et fiabilité toujours à prouverMercedes urban eTruck
Urban LightDuty eVehicle
Moteurs électriques pour véhicules routiers
Applications urbaines sont la première cible
Confort de conduit et efficacité
Zones basse émission
Système de livraison de nuit
Infrastructure de recharge en croissance mais toujours à développer:
Infrastructure de bornes publiques v.s. stations privées
Futures recherches:
Infrastructures de recharges par induction
Projet d’électrification des autoroutes par Siemens
Voiture électrique
Acide-Pb Ni-MH Zebra Li Supercap
Energie spécifique utilisable W.h/kg 15-20 60-70 90-100 110-130 3-5
Puissance spécifique W/kg 100-250 100-250 140-180 300-1000 @1000
Rendement charge-décharge % 60 80 85 85 95
Durée de vie estimée cycles 600 1200 1200 1200 1000000
Acide-Pb Li-ions Essence Diesel
Energie spécifique (W.h/kg) 17 110 12000 12000
Consommation du véhicule 25kW.h/100km 25kW.h/100km 8l/100km 6l/100km
Autonomie (km pour 100 kg) 11 73 1667 2008
Problème principal = les batteries!
Pas d’amélioration spectaculaire prévisible dans un proche avenir
33
Les 6 défis des batteries Améliorer l’autonomie = augmenter
l’énergie et la puissance spécifique
Allonger la durée de vie
Raccourcir le temps de recharge
Rendre les batteries plus sûres et fiables
Abaisser le coût et économiser les matériaux
Organiser le recyclage
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Moteurs électriques à courant continu
Avantages du moteur courant continu:
Technologie bien maîtrisée
Contrôle bien connu: pilotable en vitesse à partir d’une source continue
Rhéostat Modulation à longueur d’impulsion PWM
Utilisation des moteurs CC série sur les premiers véhicules électriques, tramways, etc.
Désavantage:
Usure des balais (carbone): remplacement après 3000 h de fonctionnement
Tension d’alimentation limitée
Puissance massique faible
Rendement médiocre (80-85%)
Perte au rotor: très difficiles à éliminer39
Électronique de puissance pour moteurs électriques CC
Principe de fonctionnement d’un hacheur de courant41
Électronique de puissance pour moteurs électriques DC
Le système est simple et économique
Le contrôle du hacheur est réalisé par un microprocesseur
La commande est généralement réalisée par ce qu’on appelle la Modulation de Longueur d’Impulsion (MLI en français ou PWM en anglais)
Une restriction majeure réside dans la température du moteur et de la batterie
42
Moteurs électriques asynchrones AC
Courant triphasé
Avec le déphasage spatial des bobines, création d’un champ magnétique tournant à la fréquence d’alimentation
Si on pilote la fréquence du courant, on pilote la vitesse du moteur
Le couple du moteur provient du glissement entre le rotor par rapport au champs magnétique (effet de friction magnétique)
Intrinsèquement rendement inférieur à 100%
44
Moteurs électriques asynchrones AC 3-f
Avantages
Prix (pas d’aimant au rotor)
Robustesse (rotor=cage d’écureuil, pas de balais)
Puissance massique (kW/kg)
Refroidissement externe (air ou eau pour éliminer les pertes au rotor)
Grande vitesse de rotation
Fiabilité excellente et maintenance faible
Inconvénients
Rendement plus faible que moteur à aimant permanents (PM motor)
Commande vectorielle du moteur (I,V,f) complexe et coûteuse
45
Électronique de puissance pour moteurs électriques
Principe de fonctionnement d’un onduleur de courant46
Electronique de puissance pour moteurs AC
En traction électrique, l’ONDULEUR est un convertisseur continu-alternatif, qui permet d’obtenir trois phases de courant alternatif, décalée de 2p/3 (120°), de fréquence variable entre 0 et 50 Hz à partir d’un courant continu de batterie.
Ce type de convertisseur fait varier la fréquence et permet d’obtenir une vitesse de rotation variable.
Ce procédé possède une puissance et rendement correct à tout régime.
La fréquence fixe la vitesse de rotation tandis que la tension fixe le couple.
47
Moteur AC synchrone
Historiquement les machines synchrones étaient utilisées comme génératrice
Plus récemment les machines synchrones s’imposent comme moteurs de traction dans les véhicules
Commande complexe nécessitant une électronique perfectionnée
Les moteurs synchrones conservent le principe d’un champ tournant créé par le bobinage statorique
Création d’une induction fixe au rotor
Soit par des enroulements
Soit par un aimant permanent
Le rotor tourne à la même vitesse que champ du stator
48
Moteur AC synchrone
Création du champ rotorique
Aimants permanents (moteur synchrone à aimants permanents)
Rendement très élevé
Densités massique (3kW/kg) et volumique importantes
Fiabilité et maintenance semblable au moteur asynchrone
50
Moteur AC synchrone
Création du champ rotorique
Aimants permanents (moteur synchrone à aimants permanents)
Commande délicate: démarrage, à-coups à bas régime
Possibilité de désaimantation en phase de fluxage et à haute température
Aimants permanents terres rares: accès aux ressources?
Exemples:
Néodyme Fer Bore (NdFeB)
Samarium Cobalt (SmCo)
Aluminium, Nickel, Cobalt (AlNiCo)
51
Les batteries de traction
Acide Plomb:
Connues depuis 1900, maturité industrielle
Ni-Cd :
Connues depuis 1930, maturité industrielle
NiMH: seconde moitié du 20ème siècle
Similaire aux batteries NiCd, mais densités d’énergie et de puissance supérieures
Charge plus rapide
Standard industriel dans EV et HEV
Li-Ions: depuis 1990, en phase d’industrialisation
Intercalation d’ions Lithium tantôt à l’anode en carbone tantôt à la cathode en oxyde métallique
Meilleure densité d’énergie et de puissance
Requiert un contrôle précis de la tension (inflammation)54
Les batteries de traction
Critères de performance et de choix (par ordre décroissant d’importance):
Energie utilise spécifique (W.h/kg)
Puissance spécifique (W/kg)
Durée de vie: nombre de cycles charge / décharge
Coût spécifique
Rendement charge – décharge
Tension et encombrement
Recyclabilité
55
Les batteries
Batteries Pb Acide Ni-Cd Ni-MH Zebra Li-Ions
Energie utilie spécifique [W.h/kg]
35-70 38 70-90 90-100 100-130
Puissance spécifique [W/kg] 100-400 79 200-400 200 200-400
Rendement charge – décharge [%]
80 65 70 85 85
Durée de vie [cycles] 500-1000 1200 750-1200 1200 1200
Coût spécifique [€/kW.h] 0,339 0,508 1,159 0,781 0,734
56
Le problème des batteries
Carburant Essence Diesel Li-Ions
Énergie spécifique du carburant [W.h/kg]
11.833 11.667 105
Rendement moyen [%] 12 18 80
Énergie spécifique à la roue [W.h/kg]
1420 2100 84
Facteur 200!
58
Supercapacité
Condensateur
= Condensateur électrostatique
Composant essentiel en électronique
Capacité ~ pF to µF
Super capacité à Double Couche Électrolytique (EDLC) or ultra / supercapacitors
Capacité ~ F – kF
Principe: double couche électrolytique de Helmotz
Très hautes capacités obtenue en minimisant la distance entre porteurs de charge et en maximisant la surface d’interface
59
Supercapacité
Double couche électrochimique à
l’interface électrolyte -électrodes
Électrodes poreuses (charbon actif):
surface de contact électrolyte -
électrodes (A) plus élevée
(3000m2/g)
Distance d très courte entre les
charges opposées dans chaque
couche (de l’ordre de 0,3 à 0,5
nanomètres)
Mais tension de cellule assez faible:
1 à 2.5V
21
2
r AC
d
E CV
60
Supercapacité
Supercapacités
Absorption/restitution d’énergie à très grande vitesse: Densité de puissance ~ 1-10 kW/kg
Moins bonne densité d’énergie (< 10 Wh/kg)
Grand courant de charge / décharge : 1000 A
Grande durée de vie: > 100 103 cycles de charge décharge
Meilleures performances de recyclage
Les supercapacités se distinguent des autres classes de systèmes de stockage d’énergie comme les batteries
61
Effet de la profondeur de décharge
Les décharges profondes endommagent les batteries et diminuent significativement la durée de vie
L. Serraro, Z. Chehab, Y. Guezennec and G. Rizzoni, An Aging Model
fo NI-MH Batteries for Hybrid Electric Vehicles, IEEE VTS Vehicle
Power and Propulsion Conference, July, 2005.
64
Effet de la température
En condition de froid sévère, le véhicule électrique peut perdre jusqu’à 50% de sa puissance
Puissance en fonction de la température d’après Steven Vance,
Parallel-Cell Connection in Lithium-Ion Battery, Kettering University
Senior Thesis, 12/08 65
Effet de la température
La batterie doit être finement régulée en température. Un fonctionnement à haute température dégrade fortement la durée de vie
D’après L. Serraro, Z. Chehab, Y. Guezennec and G. Rizzoni, An Aging
Model fo NI-MH Batteries for Hybrid Electric Vehicles, IEEE VTS Vehicle
Power and Propulsion Conference, July, 2005. 66
Nécessité d’une boîte de vitesses?
Pour les moteurs à combustion, la boîte de vitesse est indispensable pour adapter les caractéristiques du moteurs aux conditions de fonctionnement (vitesse, couple)
Pour les moteurs électriques, la question semble maintenant claire: on peut travailler avec un rapport de réduction unique
Motivations: La grande plage de fonctionnement des moteurs
L’existence de contrôleurs électroniques pour faire varier le couple et la vitesse
L’absence de boîte conduit à un fonctionnement souple et doux
Les réducteurs planétaires permettent d’atteindre des rapports de réduction importants en un seul étage avec un bon rendement
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Motorisation décentralisée
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Moteurs roues?
Moteur roue TM4
Motor wheel specifications in brief(other versions are available)Peak Power 80 kW 107 hpNominal Power: @950rpm 18.5kW (25hp)Peak torque 670 Nm 494 lb ftNominal torque @ 950 rpm 180 Nm (133lbft)Peak speed: 1385 rpmMax continuous speed: 1235 rpmEfficiency under continuous load @ 950rpm 96.3 %Maximum supply voltage 500 VDC
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Régime intermittent et continu
Une différence fondamentale dans le dimensionnement d’un moteur électrique et un moteur à combustion interne réside dans la distinction entre régime intermittent et régime continu ou permanent.
Le régime intermittent est relatif aux performances pendant un temps court. Il est dominé par la puissance maximum admissible du contrôleur de puissance.
Le régime continu est défini comme étant la sortie du système pour une période d’une demi heure au moins dans le cas des véhicules routiers. Il est limité par l’échauffement du moteur et la température maximale admissible.
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