Ecole Energies & Recherches - Institut national de physique nucléaire et de …eer.in2p3.fr/Badin_F.pdf · 2010-04-07 · Conservation de l’architecture du GMP (typiquement 2,0

©IF

P

F. BADIN – IFP : Ecole Energies & Recherches, Roscoff , 2 Avril 20101

Les Véhicules àmotorisation Hybride

François BADIN -

IFP

Ecole

Energies

& Recherches

Station Biologique, Roscoff, 2 Avril 2010

©IF

P


Hybrid vehiclesactivities

Bio fuels, electricity generation

Two among the five IFPstrategic priorities involved

©IF

P


Vehicle and powertrainsimulation

Real time simulation Component

testing andoptimization

Integratedpowertrain

control

Vehicletesting

Prototypesdesign,

realizationand

optimization

Engine test benches

Energy storagesystemtest bench

LMS AMESim

Hybrid Vehicles Research & Development activities

A complete and coordinated approach

3TC sp

2EC sp1To logger

TRANSMISSION CONTROL

D_TransmissionManagement

ENGINE ANDTRANSMISSIONACTUATORS

D_Actuators_control

ENGINE CONTROL

C_EngineManagement

VEHICLE MANAGER

B_VehicleManager

5Activations

4error

3Sensors

2Calib

data

1Tri

g

BMS

©IF

P


I Les enjeux des transports routiers,II Les véhicules à

motorisation conventionnelle,III Principes et architectures des transmissions

hybrides,IV Hybrides discrets,V Hybrides avec fonctionnalités supplémentaires,VI

Conclusions.


©IF

P


Transports routiers : Energie

et émissions

Émissions de polluantsatmosphériques :• Toxiques réglementés

NOx, CO, HC, Particules• Gaz à

effet de serreCO2

, CH4

(1%), N2O (6%)• PNR…

Consommation d’énergie :Pétrole (biocarburants, électricité, hydrogène ?)

Gazole 117 gCO2

/kmEssence 139 gCO2

/km

Exemple Renault Clio Diesel : 4,4 l/100 kmEssence : 5,9 l/100 km

©IF

P


Part des transports

dansles émissions de CO2(et GES)

France

Europe

34 %

22 %CO2

Monde (IEA 06)

: ~23 %

(6,4 Gt sur 27,8 Gt)2ème après prod

énergie

133 Mt sur 378 Mt

(26%

émissions de GES)

(14%

des GES)

©IF

P


Répartition

des émissionsde CO2

dans les transports

VP

PLVU

©IF

P





Conclusions.


©IF

P


Evolution

et perspectivesdes émissions de CO2des véhicules

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020

Years

CO

2 em

issi

onin

g/k

m

ADEME 09, CCFA 08

ACEA

EU objective 2020

France

EVOL_CARAC_VEHIC V12

EU proposal

2012BiofuelsTiresEco-innovation

Progressiveintroduction

PSARenault

BWW

Toyota

©IF

P


Present situation in France Government purchase incentives

For light duty vehicles in 2009 (private owners)

+2600 €

-5000 €

(max 20%)-6000

-5000

-4000

-3000

-2000

-1000

0

+1000

+2000

+3000

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320

CO2

emission

in g/km

Bon

us/m

alus

amou

nt in

Eur

o

HEVs

PHEVs

60 g in 200955 g in 201050 g in 2012

©IF

P





Conclusions.


©IF

P


Réducteurdifférentiel

Convert.

Convert.

Stockage1

Stockage2

Véhicule hybrideUne définition possible

• Met en oeuvre plusieurs systèmes énergétique à

bord –

stockeur(s) et convertisseur(s) si nécessaire au fin de la propulsion,

• Un au moins est réversible,• Liaison aux roues motrices par un ou plusieurs couplages.

: Energie

mécanique

Cou

plag

e

Convert.

©IF

P


Réservoir

Batterie/ SC


Véhicule hybridethermique –

électriqueArchitecture série (principe)

Moteur thermique

Machineélectrique

Machineélectrique

Couplage électrique

©IF

P


Véhicule hybridethermique -

électrique -

mécaniqueArchitecture série

Réservoir


Moteur thermique

Machineélectrique

Machineélectrique


V Machineélectrique

©IF

P


Application tramway4 kWh, 213 kW, 1200 kg(3,3 Wh/kg, 177 W/kg)

Stockage inertiel avec conversion en électricitéélectrique –

mécanique (exemple)

©IF

P


Réservoir

Batterie/ SC



électriqueArchitecture parallèle (principe)

Moteur thermique

Machineélectrique

Couplage mécanique

couple 1 ou 2

BV

BV

©IF

P



mécaniqueArchitecture parallèle (principe)

Réservoir


Moteur thermique

V TC

BV

Couplage mécanique

couple 1 ou 2

©IF

P


Stockage inertiel (mécanique)

60 kW, 24 kJ, 64 kg(940 W/kg)

F1 2009


mécaniqueArchitecture parallèle (exemple 1)

©IF

P



oléopneumatiqueArchitecture parallèle (principe)

Réservoir


Moteur thermique BV

OP MP

Couplage mécanique

couple 1 ou 2

©IF

P


Autobus Volvo(1984)


oléopneumatiqueArchitecture parallèle (exemple 1)

©IF

P



électriqueArchitecture parallèle (principe)

Réservoir

Batterie/ SC


Moteur thermique

Couplage mécanique

couple 3

Machineélectrique BV

Single shaft

pre-transmission

BV

Single shaftpost-transmission

©IF

P



électriqueArchitecture parallèle (exemple)

Nissan RWD HEV

Machine électrique

Boîte de vitesse

Embrayage

©IF

P


RéservoirBatterie/ SC



électriqueArchitecture parallèle (couplage par la route –

TTR)

Moteur thermique

Machineélectrique

Couplage mécanique en couple type 4

Réducteurdifférentiel BV

©IF

P




TTR)

Proche deHYmotion4 de PSA

Motorisationélectrique

Motorisationthermique

Exemple 1

©IF

P




TTR)

Exemple 2 Utilisation possible de machines électriques dans les roues

TM4Citroën C-Métisse

Michelin, Heuliez

Will

©IF

P


Réservoir



électriqueArchitecture parallèle –

série

(dérivation de puissance)

Couplage mécanique

Principe

Machineélectrique


Couplage mécanique

Batterie/ SC

Machineélectrique

Moteur thermique BV

©IF

P





Conclusions.


©IF

P


Hybrides discrets

• Optimisation des conditions de fonctionnementdu moteur thermique,

• Récupération

d'énergie au freinage,

• Optimisation de la gestion électrique

à bord,

• Pas de fonctions complémentaires

au bénéfice des utilisateurs et/ou de la collectivité.

©IF

P


Solution minimale (micro) :Conservation de l’architecture du GMP(typiquement 2,0 l essence et 1,6 l Diesel)

Machine généralement non intégrée 2 à

3 kW,• Batterie très proche de l’existante,• Gain en consommation urbaine : 5 à

10 %

Stop-Start 14 Vgestion optimisée de l’énergie électrique

Hybrides discrets

©IF

P


Denso Valeo Stars

Citroën C3 (11/04)and C2 (1/06)Toyota Crown

5500 ex since 2001 Mid 2006

GM Saturn

GM

~11000 ex since 1/2005

Japan

France North

America

S/S and more ?

Stop-Start (et réseau)Réalisations 1

Une seule machine

©IF

P


Deux machines

BoschSmart Electronic

Start/Stop

BMW S1, S3,Mini

Egalement : • Fiat,• Mitsubishi,• Mazda...

Stop-Start (et réseau)Réalisations 2

©IF

P


Effet booster

1000 2000 3000 4000 5000

Régime en tr/mn

Cou

ple

en N

m

Moteur thermiqueMachine électrique

(moteur)

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0

Stop-Start et booster

Démarragedu MT

Association moteurs

thermiqueet électrique

Machine électrique (générateur)

Récupération au freinageGénération de l’énergie optimum

Modes de fonctionnement

©IF

P


Honda IMA

Electric machine

Insight 2000

Civic

Accord

Modifier au minimum

l’architecture du GMP

Grande compacité

(< 1cm/kW)Insight 2010

Stop-Startet boosterRéalisations

©IF

P


Solution complète (full) :Modification profonde de l’architecture du GMP

• Machine de 30 à

50 kW,• Batterie 200 à

300 V, 1 à

2 kWh,• Gain en consommation urbaine : 30 à

40 %

Hybrides discrets

Stop-Start,

récupération, booster et mode électrique

gestion optimisée de l’énergie électrique

©IF

P


Clutch E.M.23 kW peak

Exemple de réalisation : PSA Hybride HDi

Transmission hybride avec mode électrique

CIDI engine1.6 l, 66 kW

BAT NiMH288 V6.5 Ah

©IF

P


Synthèse des apports pour les hybrides discrets

0 50 100 150 200 250 300 350 400-10

0

10

20

30

40

5055

Electricmode

Vehiclelaunch

Hybridmode Regeneration

SpeedElectric motor

powerI.C. engine

power

km/h

and

kW

Time in s

Stop&Start

©IF

P


Microhybrid

Urban Extra Urban

Typi

cal C

O2

emis

sion

s ga

in in

%

Mildhybrid

Urban Extra Urban

Fullhybrid

Urban Road Motorway0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Synthèse des potentiels de gain en consommation pour les hybrides discrets

Ordres de grandeur

©IF

P


19,5 %

21 %

18 %

8,8 %

4,3 %

3,4 %

21 %

# French registrations 2006

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Engine

peak

power in kW

CO

2 em

issi

onin

g/k

m

SmartCDi

ToyotaAygo

CitroenC1

PSARenault

Vw

GolfPrius

Insight

Civic

ADEME 2006/08

ADEME_CO2_06

CitroenC2 PriusInsight

Comparaison des véhiculesessence

et diesel

et des VEHen France (cycle normalisé

CEE)

©IF

P





Conclusions.


©IF

P


Hybrides fonctionnels

Hybrides discrets plus des fonctionnalités complémentaires

au bénéfice de l’utilisateur

et/ou de la collectivité

:

• Mode tout électrique

avec autonomie,

• Recharge

de la batterie sur le réseau,• Echange d'énergie

batterie –

réseau,

• Motorisation répartie (4 WD),

• Alimentation électrique de bord.

©IF

P


Architecture identique au full hybridNécessité

d’un stockage d’énergie plus important

• Machine de 30 à

50 kW,• Batterie 200 à

300 V,

5 à

10 kWh

pour 20 à

40 km,• Evolution possible sans émission locale de

polluants atmosphériques.

Hybrides fonctionnels

Mode électrique avec autonomie EVmode

©IF

P


80 kW, 900 km

Dynamique

Autonomie

Comparaison des

caractéristiques énergie-puissance -

2

Exemple de véhicule hybride

27 kW, # 2 km

Exemple d'hybrideMode tout électrique(Prius 2010)

Véhicules hybrides actuels(charge sustaining)

©IF

P


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 20 40 60 80 100Vehicle Speed [km/h]

ENGENG+BATT

EV button onNormal EG stop

Vehi

cle

Driv

ing

Forc

e [N

]

BatEnergy

D'après Toyota 2009

Diagramme des

caractéristiques énergie-puissance-vitesse

de la Toyota Prius 2

©IF

P


80 kW, 900 km

Dynamique

Autonomie

Comparaison des


3


Exemple d'hybridesrechargeables

Véhicules hybrides rechargeablescourt terme

# 54 kW, 20 km(Prius 2010 Plugin)

# 20 kW, 70 km(Prius Hybrids

Plus,)

# 20 kW, 50 km(Prius Hymotion,)

©IF

P


80 kW, 900 km

Dynamique

Autonomie

Comparaison des


4


Mode tout électriqueDécharge progressive

(charge depleting)

Mode hybride(blended)

Maintien de la charge(charge sustaining)

Véhicules hybrides rechargeablesdu futur ?

©IF

P


Du HEV au PHEV(Ford 2010)

P/E !plage de SOC !

©IF

P


Temps

BatterieDoD

%

0

Temps

UsageMTH

0

Usage et repos

1

Hybrides discrets'Charge Sustaining'

~ 55

Batterie

Moteur thermique

©IF

P


Temps

BatterieDoD

%

0Usage Repos

80

UsageMTH

0

1

Hybrides fonctionnelsCharge Depleting

(PHEVs)Sans autonomie électrique (Blended)

Gestionoptimum

RechargeDécharge progressive

©IF

P


Temps

BatterieDoD

%

0Usage Repos

80


(PHEVs)Avec autonomie électrique (AER)

UsageMTH

0

1

Autonomieélectrique

Pas deMTH

Perfosdynamiques ?

Temps

Temps

Recharge

©IF

P


Voir aussi Howell

07

©IF

P


80 kW, 900 km

Dynamique

Autonomie

Comparaison des


5


Toute la dynamique(no compromise !

)BAT 110 kW ?

64 km

Mode tout électrique(ZEV, AER)

Véhicules hybrides rechargeablesdu futur ?

E-REV

WOT

©IF

P


BatterieDoD

%

0

80


(PHEVs)Avec 'Biberonage'

Temps

Biberonage

?

Infrastructureoperator

Livraisons

4'20''

©IF

P


0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Overall

electric

consumption

in Wh/km

Eng

ine

fuel

con

sum

ptio

nin

l/10

0 km

35 km

70 km

150 km

150 km

100 km

75 km

22 kWh

7 kWh

Même véhiculeMême usageDifférentes lois de gestion

[Boujelben

09]

Relation conso carburant vsconso électricité, suivant le type d'usage (4/4)

GruauMicrobushybride

©IF

P

F. BADIN – IFP : Ecole Energies & Recherches, Roscoff , 2 Avril 201054 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

0

100

200

300

400

500

600

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Ene

rgy

shar

e in

Wh/

km ElectricityFuel

Target 75 km : 80 % DoD

Progressive transferfrom electricity

to fuel

Target 100 km : 80 % DoD

22 kWh

0

100

200

300

400

500

600

Ene

rgy

shar

e in

Wh/

km

km

km

[Jeanneret 06]

Plus loin que le cycle...

CD

CS

©IF

P


Relations véhicule –réseau électrique

Pas deconnection

Charge sustaining

Marché

del’énergie

Concept V2HV2G

?Alimentation

Transfertd’énergie

Plug-in HEVsCharge

depleting

©IF

P


Concepts V2H et V2G

©IF

P


Off vehicle chargingOVC

Not off vehicle chargingNOVC

Vehicle charging

Operating mode switch

Externally chargeable Not externally chargeable

YesNo YesNo

WP29 : PHEV R101 procedure : Annex 8 -

2

2 : ESS fully charged (max SOC)

3 : ESS fully discharged (min SOC)

m1

CO2 in gM1

= m1

/ Dtest1

e1

Elec

in WhE1

= e1

/ Dtest1

m2

CO2 in gM2

= m2

/ Dtest2

e4

Elec

in WhE4

= e4

/ Dtest2

SOC100

0

e1

SOC100

0

e2

min e3 e4

M

= (De

·M1

+ Dav

·M2

)/(De

+ Dav

) g/km

E

= (De

·E1

+ Dav

·E4

) / (De

+ Dav

) Wh/km

Dtest1 (théo

11 km)

if AER > 11 kmElec

modeM1

= 0

Dtest2 (théo

11 km)

identical

M0

= M -

KCO2

·

Ah g/km

Urban and extra-urban driving cycles

M = m / Dtest

Or Ebat

> 0 or Ebat

< 1% of Efuel

1 : Measurement of vehicule all electric range (AER)

De

= AE RangeDav

= 25 kmAvg

dist between 2 charges

YesNo

©IF

P


Hydrocarbures

Vecteur électricité...

Vecteur

carburant hydrocarbure

Energiesprimaires

Recharge

Electrification des véhiculesNécessité

d'une approche systèmeau niveau des filières

(énergies, LCC)

©IF

P


Influence du mix

deproduction par pays

ou zone

Renault [Perrin 08]

©IF

P


Influence de l'heure

dela recharge sur le mix

EPRI 2008

©IF

P


HEVsustaining

PHEV nocharge

0

50

100

150

200

250

Conv. PHEV 35 km PHEV 70 km PHEV 150 km

21% 18%

7 kWh battery pack : 40, 400 and 600 gCO2

/kWhe

ElectricityVehicleFuel path

CO2

balance

for vehicle

and energy paths

CO

2em

issi

onin

g/k

m

73%

38%

19%

400 600

51%

32%21%

400 600

33%25% 21%

400 60030%

B. Jeanneret, F. Badin 2006

©IF

P





Conclusions.


©IF

P


Honda

PSA

ToyotaFordGM

…/…

DC

SVE

Un grand nombre de solutions technologiques pour un grand nombre d’applications

©IF

P


GM Hybrid Portfolio

©IF

P


Conclusions

• Le gain en consommation est sensible au cycle d

’usage,• Ils combinent plusieurs innovations,• Grand nbre

de sol. (micro, mild, full, PHEV, V2H, V2G),

• Les véhicules hybrides permettent d

’atteindredes consommations très faibles (CO2

),• Leurs performances sont bonnes (dynamique, autonomie),• Ils peuvent apporter des fonctions supplémentaires.

+

• Leurs coût

est encore élevé

(+20 à

30 %, batterie, diesel ?),• Questions sur la fiabilité

des composants (batterie et électronique de puissance ?),

• Les VEH s’inscrivent dans un contexte dynamique (moteurs thermiques, transmissions, carburants).

-

©IF

P


Merci de votre attention

©IF

P


0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Ventes

Ven

tes

en m

illion

s

Mercer 07AvicenneGMPolynomial (Mercer 07)Polynomial (GM)Polynomial (Avicenne)

Estimation des ventes futures

2007 : 530 000 VEH (350 M US, 80 M Jap, 70 M EU)

©IF

P


Bilan du véhicule électriqueactuel

• Pas d'émissions locales de polluants atmosphériques,• Réduction très sensible des émissions de bruit en urbain,• Récupération de l'énergie au freinage,• Faible coût de l'énergie,• Faible maintenance.• Autonomie limitée (150 à

250 km),• Sécurité

du pack dans toutes les situations de vie à

démontrer,• Coût du pack batterie élevé,• Durée de vie de la batterie à

confirmer,• Chauffage et A/C à

améliorer,• Bilan en GES dépendant de la production d'électricité,• Infrastructure de recharge à

créer,• Outils industriels à

mettre en place

Le VE ne peut remplacer un véhicule polyvalent mais il peut offrir des solutions très avantageuses pour tout un ensemble d'usages urbains et péri-urbains

©IF

P


Toyota Prius Plug in Chevrolet Volt

Prototypes

Cas des hybrides rechargeablesFrançois BADIN -

IFP

Mastère OSE, Ecole des Mines de Paris

©IF

P


Batteries :• # 25 kWh

Ranges :• # 150 km electric• # 500 km hybrid

Batteries :• 16 kWh


Marketed in 2010 ? 30 prototypes in demo.

Batteries :• # 14 kWh


6 prototypes in demo.

GM Volt

Daimler-ChryslerSprinter

Dassault-HeuliezCleanova

USA France Germany & USA


(PHEVs)Réalisations

©IF

P


Documents

Ecole Energies & Recherches - Institut national de physique nucléaire et de …eer.in2p3.fr/Badin_F.pdf · 2010-04-07 · Conservation de l’architecture du GMP (typiquement 2,0