VEHICULES ELECTRIQUES, HYBRIDES ET A PILE A COMBUSTIBLEPartie 1: Moteurs et véhicules électriques

Pierre Duysinx

Université de Liège

Année Académique 2018-2019

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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

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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

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Introduction et historique

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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.

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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

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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.

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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.

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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.

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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

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Historique

◼ 1997: Toyota sort la Toyota Prius au Japon. La vente lors de la première année est de 18.000 véhicules

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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.

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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

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Historique: véhicules électriques

Renault Twizzy, Zéro, Fluence, KangooNissan Leaf

Smart EVMitsubishi Miev, Citroën C-zéro, Peugeot ion Tesla 19

Historique

◼ Evolution des véhicules électriques vers des véhicules plus petits (catégories L7)

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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

◼ 2010: Sales and market forecast

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Historique – Voiture électrique

Vente de véhicules électriques (VE + PHEV) :Jusqu’à 26% des ventes de véhicules en Belgique en 2020 24

Historique – Voiture électrique

◼ Forecast by ERTRAC strategic agenda

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Véhicules électriques

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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

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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

35

Moteurs électriques

Principe de fonctionnement d’un moteur CC

Ԧ𝐹 = Ԧ𝑖 𝑑𝑙 × 𝐵

36

Moteurs électriques à courant continu (CC)

Principe de fonctionnement d’un moteur CC37

Moteurs électriques à courant continu

Principe de fonctionnement d’un moteur CC38

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

Moteurs électriques CC

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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

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Moteurs électriques asynchrones AC

Principe de fonctionnement d’un moteur AC (courant alternatif)

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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%

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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 (entre 9.000 et 18.000 tr/min)

◼ 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

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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.

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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

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Moteur AC synchrone

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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

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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)

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Moteur AC synchrone

Moteur PM UQM 52

Systèmes de stockage

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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

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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

57

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!

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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

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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

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Batteries – Diagramme de Ragone

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Coût d’investissement

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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.

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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

Chaîne de traction électrique

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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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Architecture de la traction électrique

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Motorisation décentralisée

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Motorisation décentralisée

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Moteur roue intérieur

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Moteur roue extérieur

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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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