Modélisation et optimisation de la recharge bidirectionnelle de véhicules électriques : application à la régulation électrique d'un complexe immobilier

Modélisation et optimisation de la recharge

bidirectionnelle de véhicules électriques

Application à la régulation électrique d’un complexe immobilier

Kevin Tanguy

Maîtrise en génie électrique Maître ès sciences (M.Sc.)

Québec, Canada

Résumé

La démocratisation des véhicules hybrides branchables ainsi que des véhicules purement élec-triques implique un surplus de demande sur les réseaux de distribution. Le Vehicle-to-Grid (V2G) ou le Vehicle-to-Building (V2B) visent à répondre à cette demande accrue en utilisant les véhicules non plus comme de simples charges pour le réseau électrique mais comme des ac-teurs effectuant des échanges bidirectionnels. Les travaux présentés dans ce mémoire montrent, avec des données réelles du campus de l’Université Laval, une modélisation de flottes de véhi-cules et l’application d’un modèle d’optimisation linéaire que le V2B peut permettre de réaliser des gains financiers partagés entre les acteurs tout en rechargeant efficacement les véhicules participants.

Abstract

The democratization of plug-in hybrid electric vehicles along with purely electric vehicles causes an increased electric demand on the power grid. Grid (V2G) or Vehicle-to-Building (V2B) aim to bring an appropriate response to this increased demand, by not simply considering vehicles as loads for the grid but as actors making bidirectionnal exchanges. The works presented in this master’s thesis show, with real data on the Université Laval campus, a modelling of vehicle fleets and the application of a linear optimization model, that V2B can provide financial gain shared between the actors of the system, while charging the vehicles efficiently.

Table des matières

Résumé iii

Abstract v

Table des matières vii

Liste des tableaux ix

Liste des figures xi

Remerciements xvii

Introduction 1

1 État de l’art 5

1.1 Les différentes technologies de véhicules électriques . . . 5

1.1.1 Les véhicules hybrides . . . 5

1.1.2 Les véhicules purement électriques . . . 9

1.2 Le stockage de l’énergie . . . 13

1.2.1 Les différents types de batteries. . . 13

1.2.2 Les différents moyens de recharge . . . 21

1.3 V2G - Smart Grid . . . 25

1.3.1 Définitions . . . 25

1.3.2 Recherches des pionniers . . . 26

1.4 Recharge intelligente . . . 32

1.5 Conclusion . . . 34

2 Modélisation et optimisation de la recharge bidirectionnelle 37 2.1 Modèle du système . . . 37 2.1.1 Modèle de facturation . . . 37 2.1.2 Données utilisées . . . 38 2.1.3 Véhicules considérés . . . 41 2.2 Modèle d’optimisation . . . 41 2.3 Paramétrisation du modèle . . . 44 2.4 Simulateur. . . 46 2.5 Conclusion . . . 48 3 Résultats expérimentaux 49 3.1 Janvier 2011. . . 49

3.2 Février 2011 . . . 52

3.3 Mai 2011 . . . 54

3.4 Fitness de l’optimisation . . . 57

3.5 État des véhicules . . . 58

3.6 Effet de l’amélioration des technologies de batteries . . . 60

3.7 Conclusion . . . 62

Conclusion 63 Bibliographie 65 A Simulateur en Python 69 A.1 Le module Aggregator . . . 70

A.2 Le module PowerOracle . . . 71

A.3 Le module Car . . . 71

B Récolte de données du véhicule de recherche 73 B.1 Base de données . . . 73

B.2 Importation des données . . . 74

Liste des tableaux

1.1 Tableau comparatif des technologies de batteries actuelles. . . 17

1.2 Les différents modes de recharge du connecteur IEC 62196 européen . . . 23

2.1 Propriétés des véhicules. . . 41

2.2 Paramètres de simulation. . . 45

2.3 Paramètres du modèle. . . 46

3.1 Résultats pour janvier 2011. . . 50

3.2 Résultats pour février 2011. . . 53

3.3 Résultats pour mai 2011. . . 55

3.4 État de charge des véhicules lors de leur départ pour janvier 2011. . . 59

3.5 État de charge des véhicules lors de leur départ pour février 2011. . . 59

3.6 État de charge des véhicules lors de leur départ pour mai 2011. . . 60

3.7 Bénéfice des utilisateurs pour différentes valeurs de Kwear en janvier 2011. . . 61

3.8 Bénéfice des utilisateurs pour différentes valeurs de Kwear en février 2011. . . 61

Liste des figures

1.1 Architecture de l’hybride parallèle. . . 6

1.2 Architecture de l’hybride série. . . 6

1.3 Architecture de l’hybride à dérivation de puissance. . . 7

1.4 La Toyota Prius III VHER – modèle d’essai prêté à l’Université Laval. . . 7

1.5 La Chevrolet Volt. . . 8

1.6 L’accumulateur expérimental de Gaston Planté. . . 13

1.7 Composition d’une batterie plomb acide actuelle. . . 14

1.8 Batterie Ni-Mh d’une Toyota Prius seconde génération. . . 15

1.9 Schémas représentant les différents design de batteries Li-ion actuelles. . . 16

1.10 Comparaison des batteries actuelles en terme de densité gravimétrique et volumé-trique. . . 17

1.11 Comparaison de la structure du graphite avec le Lithium-Titanate. . . 18

1.12 Prévisions d’évolution du coût des batteries. . . 20

1.13 Prévisions d’évolution des batteries. . . 20

1.14 Vision d’ensemble des acteurs et défis à relever pour faire du SmartGarage une réalité. . . 25

1.15 Schéma de l’architecture du système de contrôle V2G envisagé par AC Propulsion. 28 1.16 Schéma de l’architecture du système de régulation envisagé par AC Propulsion. . . 28

1.17 Photo du stand de démonstration de la eBox modifiée par Kempton et coll. . . 30

1.18 Régulation pendant la nuit avec des demandes de régulation à la baisse dominantes (charge de la batterie). . . 31

2.1 Consommation électrique réelle à l’Université Laval en mai 2011. . . 39

2.2 Consommation électrique réelle à l’Université Laval sans chaudière électrique en mai 2011. . . 40

2.3 Flot d’exécution d’une simulation journalière. . . 47

3.1 Appel de puissance pour le mois de janvier 2011 avec 400 Prius et une puissance souscrite de 16 MW. . . 50

3.2 Échanges énergétiques V2B pour le mois de janvier 2011 avec 400 Prius et une puissance souscrite de 16 MW.. . . 51

3.3 Appel de puissance pour le mois de février 2011 avec 400 Leafs et une puissance souscrite de 16,4 MW. . . 53

3.4 Échanges énergétiques V2B pour le mois de février 2011 avec 400 Leafs et une puissance souscrite de 16,4 MW.. . . 54

3.5 Appel de puissance pour le mois de mai 2011 avec 400 Leafs et une puissance souscrite de 16 MW. . . 56

3.6 Échanges énergétiques V2B pour le mois 2011 avec 400 Leafs et une puissance

souscrite de 16 MW. . . 56

3.7 Comparaison des fitness pour le mois de janvier avec des flottes de Prius. . . 57

3.8 Comparaison des fitness pour le mois de février avec des flottes de Leaf. . . 57

3.9 Comparaison des fitness pour le mois de mai avec des flottes de Leaf. . . 58

B.1 Structure originale de la base de données stockant les données du véhicule de re-cherche à l’Université Laval. . . 74

Ce n’est pas parce que je suis paranoïaque qu’ils ne sont pas tous après moi.

Remerciements

J’aimerais tout d’abord remercier mon directeur de recherche, M. Christian Gagné pour sa supervision, me donnant les opportunités d’expérimenter librement mais aussi des directives précises pour guider l’avancée et le perfectionnement de ces travaux. Je le remercie également pour son soutien moral tout au long de mon cursus et du soutien financier supplémentaire qu’il m’a accordé pour achever ces travaux dans de bonnes conditions.

Je voudrais également remercier mon co-directeur, M. Maxime Dubois pour son soutien, ses encouragements et particulièrement pour avoir pris le temps de m’expliquer et de valider les parties de ces travaux ayant trait à l’électronique de puissance, un domaine qui m’était, sinon étranger, méconnu.

Je souhaiterais évidemment remercier le Fonds de Recherche Québécois sur la Nature et les Technologies (FRQNT) pour le soutien financier dont j’ai bénéficié.

Étant donné la nature des travaux présentés, la mise à disposition de moyens de calcul per-formants était essentielle, je remercie donc Calcul Québec/Compute Canada pour l’allocation du temps de calcul à ce projet, dont j’ai bénéficié.

Je remercie également mes parents et ma fratrie pour le soutien moral, financier et logistique tout au long de mes études à l’étranger.

Enfin, je remercie chaleureusement Sergette qui m’a guidé dans l’exploration de la culture québécoise, notamment gastronomique.

Introduction

L’électricité, après la découverte du feu et la maîtrise de l’agriculture a été un facteur dé-terminant dans la marche vers le progrès de l’espèce humaine. Les applications issues de la domestication de ce phénomène physique n’ont cessés de se diversifier et de se perfectionner, au point de devenir un besoin dans les sociétés modernes. Ce besoin énergétique est en croissance permanente, malgré les efforts pour augmenter l’efficacité énergétique des différents appareils électriques. La production en quantité suffisante mais non excessive de cette ressource pour adapter l’offre à la demande en temps réel et assurer la continuité de service avec un réseau électrique stable représente un défi permanent. Il est en effet difficile et coûteux au niveau des producteurs et distributeurs d’électricité de stocker les surplus produits ou en transit sur le réseau et les restituer lorsque la demande dépasse la production. Ces mécanismes requièrent de lourdes infrastructures distribuées sur tout le réseau et engendrent des pertes d’énergie consé-quentes. L’idée derrière le « réseau intelligent » (Smart Grid) est de déporter une partie de ces mécanismes de contrôle vers les agents consommateurs, en intégrant leurs modestes infrastruc-tures dans le processus de stabilisation du réseau et également en modifiant les comportements de consommation. Nous allons traiter une partie de ce problème de réseau intelligent en nous concentrant sur ce qui peut être fait avec un bien courant, la voiture, qui s’électrifie de plus en plus.

Problématique

Après le succès des voitures hybrides dans les pays industrialisés, notamment avec l’iconique Toyota Prius, le marché des véhicules de transport personnel a récemment fait un bond en avant en proposant des véhicules hybrides branchables et des véhicules purement électriques. Si cette démocratisation de l’utilisation de l’énergie électrique dans le secteur des transports est un pas vers une société moins dépendante des énergies fossiles, dont les réserves s’ame-nuisent, l’arrivée en masse de tels véhicules pose des problèmes pour les réseaux électriques, qui verront leur charge augmenter avec probablement des pics de demande de puissance gran-dement accentués.

Toutefois, l’arrivée de ces véhicules électrifiés comporte également son lot d’opportunités pour la modernisation des infrastructures électriques au design vieillissant et en pleine mutation, permettant ainsi une transition énergétique où les énergies renouvelables prendront une part grandissante. En effet, un véhicule personnel est typiquement à l’arrêt la plupart du temps. Ces véhicules représentent donc un stock d’énergie dormante, sur un stationnement, alors que le réseau électrique pourrait les intégrer dans une relation bidirectionnelle, en prenant de leur énergie lorsqu’il en a besoin et en les rechargeant intelligemment autrement. C’est le concept du Vehicle-to-Grid (V2G), faire des voitures un acteur à part entière, intégrées dans le réseau électrique et non pas seulement de les considérer comme une charge supplémentaire. Ainsi, au lieu de charger pleinement en tout temps son véhicule, on envisage de le recharger selon ses besoins de déplacement et également selon le besoins du réseau électrique. En effet, le réseau peut avoir besoin de se délester d’un surplus d’électricité mettant en danger sa stabilité et un véhicule peut alors rendre service en se chargeant à ce moment là. La réciproque est également valable dans d’autres circonstances, l’envoi de la puissance au réseau électrique lorsque celui-ci est soumis à une forte demande étant également concevable.

Objectifs

Le premier objectif des travaux présentés dans ce mémoire consiste à modéliser des flottes de véhicules électriques intégrées à un complexe immobilier. La flotte de véhicules doit être modélisée de manière réaliste : chaque véhicule possède une planification propre des ses allers et venues en plus de ses caractéristiques techniques au regard de ses capacités électriques. Les interactions en terme d’échanges de puissance entre la flotte de véhicules et le complexe immo-bilier doivent également être réalistes, sujettes à des pertes d’énergie qui peuvent varier selon les chargeurs des véhicules. Cette modélisation doit enfin tenir compte du modèle économique de distribution de l’électricité dans le contexte du marché réglementé québécois. Ce modèle sera implanté dans un simulateur.

Le deuxième objectif de ces travaux est de faire en sorte que notre modèle permette une op-timisation des décisions pour la recharge bidirectionnelle de véhicules électriques. Ce modèle d’optimisation repose sur l’idée que tous les acteurs du système devraient obtenir un gain financier de par leur participation au système. Ainsi, cette optimisation s’appuie sur notre modélisation générale du système, en particulier sur le modèle de facturation électrique du complexe considéré ainsi que du modèle de facturation appliqué aux propriétaires de véhi-cules, sans être biaisé en faveur d’un parti. Ce modèle d’optimisation doit lui aussi tenir compte des caractéristiques techniques des véhicules considérés.

s’appuyant sur l’optimisation des prises de décisions, afin de déterminer si un système de planification de la recharge bidirectionnelle intégré à un complexe électrique peut être finan-cièrement intéressant ou non. Ces expérimentations doivent être variées dans le sens où les paramètres de simulation sont multiples et permettent, au regard des résultats obtenus, de tirer des conclusions quant à la pertinence de la recherche dans le domaine, ceci dans l’optique d’implanter concrètement de tels systèmes. Ces résultats étant optimaux, mais obtenus par simulation, la contribution majeure est ici de fournir une base théorique de comparaison pour les recherches futures s’appliquant aux conditions expérimentales considérées dans ces travaux.

Structure du mémoire

Dans le premier chapitre, nous allons exposer l’état de l’art des technologies disponibles pour l’électrification des véhicules de transport individuel. Les différents types de véhicules élec-triques seront présentés à travers des exemples de modèles présentement disponibles. Puis, les multiples types de batteries seront définis et leurs caractéristiques mises en contraste dans l’optique d’une utilisation dans le contexte du V2G. Les standards en matière de chargeurs seront par la suite explicités. Nous conclurons ce chapitre par une revue de littérature sur le V2G incluant les définitions des différents concepts associés.

Dans le second chapitre, nous présenterons le sujet principal de ce mémoire : la modélisation de flottes de véhicules mis au point pour juger de la viabilité financière du Vehicle-to-Building (V2B) dans le contexte de la régularisation de la demande électrique du campus de l’Université Laval. Le modèle de programmation linéaire imaginé sera donc détaillé avec le jeu de données à notre disposition et les spécificités de la fourniture du service électrique au campus sur le plan économique.

Le troisième chapitre sera dédié aux expérimentations réalisées à l’aide du modèle d’opti-misation développé. Après avoir exposé la méthodologie expérimentale et la paramétrisation utilisée, nous démontrerons, à l’appui de résultats issus de simulations, l’éventuelle viabilité financière du V2B aussi bien pour le campus que pour les propriétaires des véhicules partici-pants.

Nous conclurons enfin ce mémoire par une synthèse du travail réalisé et en donnant des pistes de travaux futurs.

Chapitre 1

État de l’art

Dans ce chapitre, nous allons présenter les technologies pertinentes à la mise en place d’un réseau électrique plus intelligent et ce en particulier par le V2G. Les technologies commercia-lisées présentement ainsi que les technologies futures dont le développement est avancé vont être exposées, de manière non exhaustive, dans l’optique de situer nos travaux dans le contexte actuel, favorable à l’émergence de nouvelles manières de produire et consommer l’électricité. Les travaux de ce domaine de recherche seront également présentés et contrastés avec les nôtres lorsqu’ils sont comparables.

1.1

Les différentes technologies de véhicules électriques

Il existe plusieurs types de véhicules électrifiés, nous explicitons ces technologies dans cette section et donnons des exemples de véhicules existants.

1.1.1 Les véhicules hybrides

Les voitures hybrides actuelles associent deux types de motorisation : un moteur thermique alimenté par un carburant (essence, diesel, biocarburants...) et un moteur électrique alimenté par une batterie rechargeable.

Il y a trois façons d’utiliser ces deux moteurs dans des voitures actuellement [1] : hybride

parallèle, hybride série et hybride à dérivation de puissance. L’hybride parallèle

C’est le moteur thermique qui sert à déplacer le véhicule (transmission mécanique, embrayage, boîte de vitesse). On lui adjoint un moteur électrique qui utilise l’énergie des batteries élec-trochimiques rechargeables. Grâce à son couple élevé, disponible immédiatement, le moteur électrique aide le moteur thermique dans les phases où il est peu efficace (démarrages ,

re-Figure 1.1 – Architecture de l’hybride parallèle. ©2006 Peter Van den Bossche, utilisé sous licence Creative Commons Attribution-ShareAlike 2.5.

Figure 1.2 – Architecture de l’hybride série. ©2006 Peter Van den Bossche, utilisé sous licence Creative Commons Attribution-ShareAlike 2.5.

prises). Lors des phases de freinage ou de décélération, le moteur électrique se transforme en générateur, récupère une partie de l’énergie cinétique et recharge la batterie. L’architecture

générale de la technologie hybride parallèle est schématisée dans la figure1.1.

L’hybride série

C’est le moteur électrique qui assure la propulsion de la voiture (application de son couple aux roues). Il est alimenté par une batterie électrochimique de forte capacité. Le moteur ther-mique, qui tourne à régime constant, et le générateur électrique forment un groupe électrogène qui recharge la batterie. La voiture est d’abord chargée sur le secteur au domicile. Lorsque l’autonomie « tout électrique » est épuisée, le groupe électrogène se met en route pour étendre le rayon d’action en rechargeant la batterie. L’architecture générale de la technologie hybride

Figure 1.3 – Architecture de l’hybride à dérivation de puissance. ©2006 Peter Van den Bossche, utilisé sous licence Creative Commons Attribution-ShareAlike 2.5.

Figure 1.4 – La Toyota Prius III VHER – modèle d’essai prêté à l’Université Laval.

L’hybride à dérivation de puissance

Comme dans le fonctionnement parallèle, le moteur thermique déplace le véhicule par une transmission mécanique mais grâce à deux moteurs/générateurs électriques, la transmission mécanique est renforcée par une transmission électrique. L’architecture générale de la

techno-logie hybride à dérivation de puissance est schématisée dans la figure1.3.

Véhicules hybrides branchables commerciaux Toyota Prius

La Toyota Prius III VHER, montrée dans la figure 1.4, est une hybride à dérivation de

puis-sance. Elle est basée sur une Toyota Prius modèle ZVW30 (troisième génération) avec l’ad-jonction de deux batteries lithium-ion (totalisant 5,2 kWh) développées en collaboration avec Panasonic qui lui permettent de rouler sur 21 km en mode tout électrique avec une vitesse

Figure 1.5 – La Chevrolet Volt. ©2012 Mario Roberto Durán Ortiz, utilisé sous licence Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0.

maximale de 100 km/h.

Chevrolet Volt

La Chevrolet Volt de General Motors, montrée dans la figure 1.5, est une voiture hybride

série ; la version définitive de cette berline cinq portes quatre places a été lancée fin 2010. Elle est dotée d’un moteur électrique de 111 kW (150 ch) alimenté par des batteries lithium-ion polymères rechargeables sur secteur en trois heures ou via le moteur essence faisant office de générateur de 55 kW (74 ch). La vitesse maximale est de 161 km/h et les batteries autorisent, à elles seules, une autonomie de 64 kilomètres avant recharge.

Véhicules hybrides branchables de recherche Le projet RechargeIT de Google

Google mène une expérimentation [2] depuis 2007 avec des Toyota Prius et des Ford Escape

Hybrid converties en VHER avec le bloc batterie Hymotion de A123 Systems. Peu de docu-mentation est disponible sur l’expéridocu-mentation mais des résultats sont accessibles sur le site.

Cette étude est d’ailleurs jointe à d’autres projets de Google sur les énergies renouvelables1

comme la géothermie, l’énergie éolienne ou les cellules photo-voltaïques2 _{et leur « Google}

Po-1. http://www.google.org/rec.html

werMeter »3_.

1.1.2 Les véhicules purement électriques

Contrairement aux véhicules hybrides, les véhicules tout électrique ont un design plus simple puisqu’il n’y a plus de moteur thermique et toutes ses dépendances jusqu’à l’échappement.

Véhicules électriques commerciaux

De multiples voitures citadines électriques sont arrivées sur le marché récemment. Sont pré-sentés dans cette partie des véhicules électriques actuellement disponibles, le but n’est pas d’être exhaustif mais de montrer la diversité des véhicules disponibles à travers des exemples de modèles populaires dans les différents marchés automobiles mondiaux.

Smart For Two ED

La Smart For Two ED (Electric Drive) dispose d’un moteur de 47 chevaux pour une vitesse de pointe de 125 km/h et une autonomie de 135 km. Elle se recharge complètement en 6 heures sur du 240 Volts. Depuis le printemps 2013, elle est disponible dans 30 pays incluant le Canada.

Mitsubishi I-miev

La mitsubishi I-miev dispose d’un moteur de 47 kW (180 Nm) et d’une batterie Lithium-ion de 16 kWh pour une autonomie de 160 km. Elle peut être chargée via deux prises, une pour une connexion domestique (100 à 200 Volts) avec un temps de charge d’environ 7 heures pour

du 200 Volts et une prise recharge rapide avec un temps de charge d’environ 30 minutes.4

Hydro-Québec effectue des tests routiers de ce modèle à Boucherville5_.

Nissan Leaf

La Nissan Leaf est une voiture tout électrique avec un moteur de 80 kW (107 ch, 280 Nm) et une batterie Lithium-ion compacte d’une capacité de 24 kWh. Elle a une autonomie d’environ 160 kilomètres, peut rouler jusqu’à 140 km/h (et plus selon Nissan) et se recharge complète-ment en 7 à 8 heures sur une prise domestique (200 à 240 Volts) ou en 30 minutes à 80% de sa capacité avec un chargeur rapide. Elle est de plus moins chère que la Chevrolet Volt, ce qui

3. http://www.google.com/powermeter/about/index.html

4. http://www.mitsubishi-motors.com/special/ev/whatis/index.html

en fait une citadine écologique avec une autonomie raisonnable abordable.

Renault Z.E.

En France, l’entreprise Renault6 _{a mis au point une gamme de véhicules électriques allant de}

la citadine bi-place au véhicule utilitaire dans la famille « Z.E. » (Zéro Émission). La particu-larité du modèle économique proposé par l’entreprise est de vendre la voiture sans batterie, à prix abordable, et louer les batteries à prix variable suivant le nombre de kilomètres par-courus par an. Les batteries se trouvent alors garanties avec un contrat d’assistance pour leur maintenance.

La Renault Twizy Z.E. est une voiture biplace urbaine disposant d’une batterie de 7 kWh et d’une autonomie de 100 km disponible en deux motorisations. La première motorisation dé-veloppe seulement 5 chevaux et est bridée à 45 km/h, ce qui en fait un véhicule accessible dès 16 ans. La deuxième motorisation développe quant à elle 17 chevaux et est bridée à 80 km/h. La Renault Zoé Z.E. est une berline compacte qui embarque une batterie de 22 kWh pour un moteur de 65 kW développant 87 chevaux. Elle peut atteindre 135 km/h avec une autonomie de 150 à 210 km. Le point fort de ce véhicule est la présence à bord du chargeur « Camé-léon » breveté par Renault qui accepte tout niveau de charge de 3,7 kW monophasé pour une recharge complète entre 6 et 8 heures à 42 kW triphasé pour une recharge à 80% en trente minutes. Ses caractéristiques sont très proches de la Nissan Leaf, toutefois elle ne nécessite pas un chargeur externe pour une recharge rapide.

Phoenix Motor Cars

Phoenix Motor Cars7 _{commercialise un véhicule utilitaire sportif à destination des entreprises}

et des flottes gouvernementales. Ce véhicule a un moteur de 60 kW (160 ch, 260 Nm), des

batteries lithium-ion LFP8 _{et une autonomie d’environ 120 km. Le véhicule peut se charger}

en 5 à 6 heures sur du 220 Volts ou en environ 1 heure avec un chargeur rapide.

AC Propulsion

AC Propulsion [3] travaille depuis longtemps à la mise au point de véhicules qu’ils soient

hybrides série ou tout électrique et en particulier pour que ces véhicules interagissent avec le

6. http://www.renault.com

7. http://www.phoenixmotorcars.com

réseau électrique de manière bidirectionnelle (voir 1.3.2 page27).

Leurs expérimentations ont conduit à la technologie tzero™9 _{qui inclut le système de}

propul-sion électrique avec chargeur bidirectionnel intégré, la gestion des batteries et du véhicule dans son ensemble et l’intégration de possibilités Vehicle-to-Grid (V2G).

Tesla Motors travaillait à ses débuts sous licence avec AC Propulsion pour la réalisation de leur voiture de sport électrique. De plus BMW travaille aussi avec AC Propulsion pour la

production de véhicules électriques10 _{(la Mini E}11_{) tout comme les services postaux}

améri-cains12_{. Ils semblent être à ce jour les plus avancés en matière de motorisation et d’intégration}

pour les véhicules électriques à destination du grand public.

Tesla Roadster

La Tesla Roadster dispose d’un moteur de 185 à 215 kW (248 à 288 ch, 270 Nm) et de batteries Lithium-ion d’une capacité de 53 kWh pour une autonomie de 340 km et des accélérations entre 0 et 100 km/h en seulement 3,7 secondes. Plusieurs moyens de recharge sont proposés par Tesla, la recharge rapide dure 3 heures et demi avec un adaptateur 240 Volts (soit environ 100 km d’autonomie par heure de charge). S’il s’agit sans doute d’une prouesse technologique (et esthétique) son prix (116 500 $ US) est rédhibitoire et c’est un produit réservé à une clientèle de luxe.

Tesla Model S

La Tesla Model S est une berline commercialisée depuis 2012. Sur la même base technologique que le Roadster mais avec une allure d’Aston Martin elle dispose d’une autonomie allant jus-qu’à 480 km dans sa version avec un bloc batterie de 85 kWh. Elle peut se recharger en 3 à 5 heures avec l’adaptateur 240 Volts ou en 1 heure avec un adaptateur rapide triphasé de 480 Volts. Elle supporte également le remplacement de batterie rapide en 90 secondes, soit une recharge plus rapide que le temps nécessaire à réaliser un plein d’essence. Avec un moteur développant 416 chevaux et une vitesse de pointe de 210 km/h, ce modèle s’adresse toujours à une clientèle haut de gamme.

9. http://acpropulsion.com/products-tzero.html

10. http://acpropulsion.com/pressreleases/11.20.2008%20BMW%20Press%20Release.pdf

11. http://en.wikipedia.org/wiki/Mini_E

Véhicules électriques de recherche eBox d’AC Propulsion

La eBox d’AC Propulsion est une conversion d’une Toyota Scion xB à un véhicule tout élec-trique avec leur technologie tzero™. Elle est équipée d’un moteur élecélec-trique de 150 kW (200 ch) et de batteries lithium-ion totalisant 35 kWh pour une autonomie de 230 à 290 km. Elle réalise un 0 à 100 km/h en 7 secondes et peut atteindre 153 km/h en pointe. Elle peut être rechargée en 2 à 5 heures. Cette voiture est particulièrement intéressante puisqu’elle présente des capacités V2G intégrées ainsi que la possibilité d’agir comme un UPS (Uninterruptible Power Supply).

La conversion de la Scion xB en eBox est estimée à 55 000 $ US à petite échelle mais pourrait revenir à seulement 10 000 $ US en production de masse.

Véhicules électriques du MIT

La Porsche 914 BEV13_{est une conversion d’une Porsche 914 en véhicule électrique par l’équipe}

EVT du MIT. Elle dispose d’un moteur de 55 kW d’Azure Dynamics14_{et de batteries}

lithium-ion phosphate de Valence Technology15 _{pour une autonomie de 160 km. Elle est rechargeable}

en 2 heures et demi à 8 heures dépendant de la puissance du chargeur.

La dernière née du MIT et la plus prometteuse, la elEVen16 _{est une conversion d’une}

plate-forme Ford CD3. Elle est équipée d’un moteur électrique de 250 ch prévu pour des bus de 16,5

tonnes et de batteries lithium-ion phosphate de A123 Systems (voir 1.2.1 page17) totalisant

plus de 60 kWh. Cette voiture devrait aller de 0 à 100 km/h en moins de 9 secondes, avoir une autonomie de 320 km et se recharger en 11 minutes (d’où son nom) avec un chargeur spécialement conçu pour, délivrant 350 kW.

Bien d’autres véhicules sont prévus et il serait long et inutile de tous les présenter, Plug In

America17_{recense et met à jour une liste de véhicules électriques sur leur site. De plus Project}

Get Ready18 _{tient à jour une carte avec les villes où des initiatives en matière de véhicules}

électriques sont prises.

13. http://web.mit.edu/evt/porsche914.html 14. http://www.azuredynamics.com/ 15. http://www.valence.com/ 16. http://web.mit.edu/evt/nextvehicle.html 17. http://www.pluginamerica.org/vehicles/ 18. http://projectgetready.com/category/city

Figure 1.6 – L’accumulateur expérimental de Gaston Planté [4].

1.2

Le stockage de l’énergie

Le stockage de l’énergie est un obstacle majeur à une vaste adoption des véhicules électriques. La densité énergétique des batteries est inférieure à celle des produits pétroliers ce qui résulte en un poids supérieur pour une autonomie moindre. Le coût des batteries et leur rechargement bien plus long qu’un passage à la pompe à essence est encore un autre frein.

1.2.1 Les différents types de batteries

Il existe différents types de batteries disponibles à l’heure actuelle sur le marché mais aucune d’elles ne parvient à égaler ou surpasser la densité énergétique des carburants fossiles.

Les batteries Plomb Acide

C’est la plus ancienne des technologies de batteries et la moins onéreuse actuellement. Inventée

en 1859 par le français Gaston Planté dont le prototype est illustré à la figure 1.6, elle est

améliorée et passe en production industrielle en 1881 grâce au luxembourgeois Henri Owen Tudor qui la rend plus robuste et efficace en remplaçant les feuilles de plomb baignant dans de l’acide sulfurique par des plaques de plomb enduites d’une pâte active. La composition d’une

batterie plomb acide actuelle est détaillée dans la figure1.7.

Lors de sa charge une batterie au plomb dégage de l’oxygène et de l’hydrogène, la boîte n’étant pas fermée hermétiquement, la batterie doit être utilisée à plat et le niveau d’eau ajusté ré-gulièrement. D’autre part les vapeurs et/ou projections d’acide sulfurique provoquent de la corrosion si l’emplacement de la batterie n’est pas entretenu (avec de l’eau et bicarbonate de soude). Ce type de batterie supporte très mal la décharge complète et la surcharge, elles sont faites pour rester chargées en permanence.

Figure 1.7 – Composition d’une batterie plomb acide actuelle [5].

Deux évolutions de ce type de batterie sont apparues :

– La batterie plomb-gel qui supporte bien les décharges importantes mais a une courte durée de vie car le gel se détériore et laisse des vides, ce qui diminue la surface d’échange. – La batterie à recombinaison de gaz qui a une meilleure capacité, un faible taux d’auto-décharge et quasiment aucun dégazage. De ce fait elle peut être hermétiquement fermée et placée dans n’importe quelle position.

Ce type de batterie n’est pas adapté pour une utilisation dans les véhicules électriques de par leur poids et leur faible capacité, elles sont de plus nocives pour l’environnement. Toutefois le

projet CalCars19_{a commencé ses expérimentations avec ce type de batterie.}

Les batteries Nickel-Cadmium (Ni-Cd)

C’est une technologie très ancienne aussi, inventée par le suédois Waldemar Jungner en 1899. Elle était très répandue pour les appareils électriques nécessitant un courant électrique impor-tant comme les téléphones portables ou les appareils photos numériques. De part la nocivité du Cadmium pour l’environnement, ce type de batterie a été interdit en Europe pour le grand public en 2006.

Ce type de batterie a une longévité assez importante (environ 1000 cycles) mais insuffisante pour une utilisation dans les véhicules électriques et a de plus un effet mémoire.

Figure 1.8 – Batterie Ni-Mh d’une Toyota Prius seconde génération.

Les batteries Nickel-hydrure Métallique (Nickel-Metal hybride Ni-Mh)

C’est la technologie qui a succédé aux batteries Ni-Cd, commercialisée en 1990. Ces batteries ont une architecture similaire aux batteries Ni-Cd pour une densité énergétique doublée mais une résistance supérieure qui impose une phase de rodage des éléments pour débiter de forts taux de courants. C’est une technologie assez fragile car ne supportant pas la surcharge. Un avantage certain de cette technologie est qu’elle n’a pas d’effet mémoire mais a une capa-cité d’auto-décharge importante. Ce type de batterie est adapté pour une transition vers les voitures électriques mais sa durée de vie n’est pas satisfaisante. La Toyota Prius utilisait ce

type de batterie, illustrée dans la figure1.8, avant l’arrivée de la troisième génération de la série.

Les batteries Lithium-ion (Li-ion)

Bien que le principe en soit connu depuis les années 1980 les premiers éléments rechargeables au lithium n’ont été commercialisés qu’en 1991. Cela à cause du caractère instable du lithium métallique pendant la phase de charge. Le problème a été résolu en utilisant des ions de li-thium. Le lithium-ion (Li-ion) ne présente pas de danger si certaines précautions sont prises lors de la charge. En revanche il y a un risque de surchauffe et d’explosion si elles sont chargées dans de mauvaises conditions, la plupart des fabricants équipent donc leurs blocs de batteries de circuits de protection. Avec un faible taux de décharge dans le temps et sans effet mémoire, cette batterie offre une densité énergétique importante (le double du Ni-Mh) mais une durée de vie inférieure aux batteries Ni-Mh. Elles peuvent de plus être manufacturées sous diverses

formes, illustrées dans la figure 1.9, selon l’usage voulu.

Les batteries Lithium-ion Polymère (Li-po)

Depuis 1999 est apparue une nouvelle génération d’accumulateurs Li-ion : Le Lithium ion Polymère (Li-po). L’électrolyte est un polymère gélifié qui permet d’obtenir des éléments très

Figure 1.9 – Schémas représentant les différents design de batteries Li-ion actuelles [6] : a) cylindrique, b) plate, c) prismatique et d) mince et plate.

fins et plats pouvant prendre toutes les formes possibles. Encore chère aujourd’hui cette tech-nologie récente est promise à beaucoup d’avenir. Elle doit, à terme, revenir moins cher à la réalisation que le Li-ion classique. La Chevrolet Volt utilise ce type de batteries produites par LG Chemical.

Comparaison des batteries existantes

Les différentes technologies de batteries sur le marché sont comparées dans le tableau 1.1en

ne tenant compte ni des évolutions récentes en recherche ni des batteries d’une famille spé-cialement conçues pour une application précise. Les batteries Li-ion classiques sont celles qui possèdent la plus haute densité énergétique pour une durée de vie intéressante.

La densité énergétique en terme de poids et de volume est représentée graphiquement dans la

figure1.10. Il apparaît clairement que les batteries lithium-ion et lithium-ion polymères sont

les plus adaptées pour le marché automobile puisqu’elles sont, pour une quantité d’énergie stockée équivalente, les plus légères et les plus compactes.

Table 1.1 – Tableau comparatif des technologies de batteries actuelles.

Technologie Plomb Acide Ni-Cd Ni-Mh Li-ion Li-ion polymère

Densité énergétique (Wh/kg) 30-50 45-80 60-120 160-200 100-130 Nombre de cycles (Charge décharge) 500 à 800 1000 à 2000 600 à 1500 400 à 1200 400 à 600 Temps de charge 6 à 12h 1h à 2h 2 à 4h 2 à 4h 2 à 4h Température de fonc-tionnement -20 à 60°C -40 à 60°C -20 à 60°C -20 à 60°C 0 à 60°C

Figure 1.10 – Comparaison des batteries actuelles en terme de densité gravimétrique et

volumétrique [6].

Les batteries en développement

La batterie Lithium-Nanophosphate de A123 Systems et Saphion de Valence Technologie

A123 Systems est née en 2001 des recherches sur les batteries conduites au MIT. Leur

tech-nologie nanophosphate™ utilise une électrode positive LiF eP o4 (Valence dispose d’une

tech-nologie similaire utilisant une électrode positive LiF eMgP o4). Ce type de batterie s’appuie

sur les nano-technologies pour obtenir une meilleure circulation des électrons avec une faible

impédance et une plus longue durée de vie que les batteries lithium-ion traditionnelles [7].

L’entreprise prétend que ce type de batterie s’auto-décharge très peu et garde sa capacité même sur de longues décharges. D’autre part, ces batteries supportent la recharge rapide et les réactions chimiques donnent lieu à peu de déperdition de chaleur, ces batteries sont plus

Figure 1.11 – Comparaison de la structure du graphite avec le Lithium-Titanate [9].

sûres que les batteries traditionnelles puisque les matériaux utilisés sont plus stables [8]20_.

A123 Systems commercialisait en Amérique du nord des kits de conversion pour Toyota Prius (2004-2009) pour les rendre branchables. Baptisé Hymotion, le bloc batterie s’appuie sur cette

technologie de batteries. Il est utilisé par le projet RechargeIT de Google [2]. D’autre part la

Chevrolet Volt aurait pu utiliser ce type de batteries mais A123 Systems a été pénalisé par son statut de « startup » et surtout pour ne pas produire de cellules prismatiques qui contrairement aux cellules cylindriques, offrent une perte minimale d’espace lors de la conception d’un bloc batterie.

La batterie Lithium-Titanate de AltairNano et Toshiba

Au lieu d’agir sur la cathode comme le fait A123 Systems, AltairNano agit sur l’anode en remplaçant le graphite traditionnellement utilisé par une nano-structure sphérique plus

régu-lière et offrant une plus grande surface de contact comme le montre la figure1.11, le lithium

titanate oxide (Li4T i5O12).

L’entreprise prétend que ses batteries sont trois fois plus puissantes que les batteries Lithium-ion traditLithium-ionnelles avec une durée de vie de plus de 5000 cycles, une tolérance à des

tempéra-tures de -40 à 65°C et des temps de charge/décharge de l’ordre de 10 minutes [10]. D’après un

document d’AltairNano datant de 2006 sur leur technologie NanoSafe™ [9], leurs recherches

montreraient que leurs batteries pourraient avoir une durée de vie allant jusqu’à 20 ans, opérer entre -50°C et 75°C et se recharger en quelques minutes seulement. Ils auraient même testé leurs batteries dans des fours à 250°C en n’observant aucune explosion.

20. Tests du MIT sur ce type de batteries : http://mit-evt.blogspot.com/2010/07/new-cell-cycler. html.

Pistes de recherche

Une piste de recherche très prometteuse a été mise au point au MIT par l’équipe21 _du

profes-seur Gerbrand Ceder et publiée en 2009. D’après le constat que les ions de lithium pouvaient se déplacer extrêmement rapidement mais que la structure des batteries actuelles les en em-pêchait, l’équipe a mis au point des sortes de « périphériques » pour ions, des tunnels leur permettant de circuler plus librement et donc la batterie peut être chargée et déchargée beau-coup plus rapidement en délivrant plus de puissance. Une fois perfectionnée, cette découverte permettrait aux véhicules électriques de bénéficier d’une plus grande vélocité dans les accé-lérations et des temps de recharges extrêmement rapides de l’ordre de la dizaine de secondes

[11]. A123 Systems a déjà acquis la licence d’utilisation de cette nouvelle technologie et devrait

très prochainement avoir un produit l’intégrant en test.

Plus récemment, deux types de batteries ont été mis au point au MIT. La première est une

batterie semi-liquide appelée « Cambridge crude »22_{et décrite dans un article [12]. Sa}

particu-larité tient au fait que le liquide qui stocke l’énergie est pompé dans le système qui le décharge, ainsi ce design permettrait de réaliser un système moins volumineux et onéreux que les bat-teries actuelles. Ce système aurait également l’avantage d’autoriser le remplacement dans une voiture de la batterie en pompant le liquide déchargé tout en déversant du liquide pleinement chargé, l’équivalent d’une recharge rapide. La voiture n’aurait alors pas nécessairement à avoir de chargeur intégré ou en option pour une recharge éventuelle sur secteur. La deuxième

bat-terie est une amélioration du design de batbat-teries « lithium-air » ou « lithium-oxygène »23_{, en}

utilisant des nano-technologies pour minimiser la quantité de carbone utilisée. De ce fait, les batteries de ce type sont quatre fois plus légères qu’une batterie au lithium traditionnelle pour une capacité identique.

Toutes ces recherches au MIT sont pertinentes pour les véhicules électriques ou hybrides branchables puisqu’elles répondent à une partie des obstacles à l’adoption de ces types de véhicules dont le coût des batteries, leur recharge rapide, leur capacité de stockage et leur poids.

Les prévisions d’évolution des batteries

D’après un rapport de 2010 du ministère des transports américain [13], le coût des

batte-ries devrait diminuer par un facteur 10 entre les prix de 2009 et les prévisions pour 2030.

21. http://burgaz.mit.edurecense les publications sur les travaux de l’équipe. 22. http://web.mit.edu/newsoffice/2011/flow-batteries-0606.html

Figure 1.12 – Prévisions d’évolution du coût des batteries [13].

(a) poids (b) durée de vie

Figure 1.13 – Prévisions d’évolution des batteries : a) poids, b) durée de vie [13].

Cette baisse du coût des batteries, illustrée dans la figure1.12engendrera, si elle se confirme,

une augmentation de l’attractivité des véhicules électriques pour le grand public à court terme. Toujours d’après ce rapport, cette baisse des coûts s’accompagnerait également de la réduction du poids des batteries et d’une augmentation de leur durée de vie. Si ces prévisions,

présen-tées dans la figure 1.13 venaient à se réaliser, elles se traduiraient par une augmentation de

l’autonomie des véhicules électriques ainsi qu’un coût d’opération inférieur, le remplacement des batteries durant la vie utile du véhicule étant moins probable.

Avec ce « Recovery Act », l’administration états-unienne a injecté près de 5 milliards de dollars, sous forme de prêts à taux 0, à l’électrification du parc automobile national. Ces investisse-ments comprenaient à la fois l’implantation d’usines de fabrication de véhicules électriques (Nissan, Tesla et Fisker) et de composants (Delphi Automotive Systems), de batteries et de leurs composants (A123 Systems, Cellgard LLC) et d’infrastructures de recharge

(Cou-lomb Technologies). La recherche et le développement de nouvelles technologies de batteries ont également était subventionnés ainsi que le développement de projets existants comme la Volt de General Motors.

1.2.2 Les différents moyens de recharge

Une contrainte des véhicules électriques (ou hybrides branchables) est qu’il faut les recharger souvent de par leur autonomie limitée, ce qui pose des problèmes techniques d’électronique de puissance pour recharger rapidement et de standardisation des prises (ou autre moyen de recharge) pour un accès universel et sécurisé dans l’espace public.

L’échange de batteries

C’est une solution proposée pour pallier les temps de recharge des batteries, très longs sans l’in-frastructure adaptée pour une recharge rapide. Le principe serait d’avoir des stations services proposant d’échanger la batterie vidée du véhicule par une batterie équivalente complètement rechargée. Dans ce système économique, le client ne serait pas le propriétaire des batteries de

son véhicule mais il les louerait. La compagnie BetterPlace24_{teste déjà ce modèle économique}

et a des prototypes de centre d’échange qui sont prêts, notamment à Yokohama, au Japon25_.

Évidemment cette solution demanderait une standardisation de l’emplacement et de la forme des batteries pour le secteur automobile.

La recharge par induction proposée par Renault/Nissan et coll.

Le constructeur automobile Nissan26_{a développé, en collaboration avec la société Showa}

Air-craft Industry27_{, un nouveau système pour recharger sans contact des batteries de voitures}

électriques lorsque celles-ci sont en stationnement dans des parkings spécialement aménagés. Le principe, relativement simple, utilise l’induction électromagnétique entre deux bobines. La version proposée délivre 10 kW et est prévue pour l’espace public, une version moins puissante de 3 kW à 6 kW est envisagée pour les résidences.

La compagnie Evatran28 _{basée en Californie teste depuis 2009 un système similaire qu’elle}

commercialise maintenant pour Nissan Leaf et Chevrolet Volt. Ce système représenterait une

24. http://www.betterplace.com/

25. Voir la vidéo :http://www.youtube.com/watch?v=KKA4GhVn0a4

26. http://www.nissan-global.com

27. http://www.showa-aircraft.co.jp/en/index.html

avancée majeure si des villes ou des tronçons d’autoroute en étaient équipés, donnant aux véhicules électriques une plus grande autonomie que celle des véhicules à énergie fossiles. Le KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology) a d’ailleurs développé ce sys-tème pour les tramways d’un parc d’attraction, les bus de son campus et maintenant également

des bus de la ville de Gumi en Corée du Sud29_.

Les chargeurs branchables

Plusieurs types de standards existent et émergent pour le rechargement de véhicules élec-triques. Au delà du connecteur physique utilisé, la puissance délivrée influe nettement sur les temps de recharge. Ainsi, plusieurs niveaux de charge ont été définis :

– niveau 1 : correspond à une prise de courant conventionnelle en courant alternatif et ne délivre qu’une faible puissance, la recharge complète du véhicule pourra prendre jusqu’à 12 heures.

– niveau 2 : correspond à une installation spécifiquement destinée à la recharge de vé-hicules, toujours en courant alternatif, la puissance délivrée est bien supérieure ce qui permet la recharge d’un véhicule en 2,5 à 5 heures.

– niveau 3 : correspond non plus à une interface entre le réseau électrique et le chargeur du véhicule mais à un chargeur de batteries en courant continu. Aussi appelé « charge rapide », ce niveau de charge puissant permet une recharge à 80% du véhicule en un peu moins d’une demi heure.

Connecteur SAE J1772 en Amérique du Nord

Mis au point par l’industriel japonais Yazaki, le type de connecteur SAE J1772 a été adopté comme standard en 2010 par les compagnies GM, Chrysler, Ford, Toyota, Honda, Nissan et Tesla.

Deux niveaux de charges sont définis tous deux en courant alternatif. Le premier avec une tension de 120 Volts et un courant de 16 ampères, le second avec une tension de 240 Volts et un courant inférieur ou égal à 80 ampères. Actuellement ce connecteur peut délivrer environ 17 kW. Des travaux sont en cours pour standardiser d’autres niveaux de charge permettant la

recharge rapide (niveau 3).30

Connecteur IEC 62196 en Europe

Mis au point par l’industriel allemand Mennekes, le type de connecteur IEC 62196 (ou VDE-AR-E 2623-2-2) a été adopté par un grand nombre d’industriels européens comme standard.

29. http://www.kaist.edu/english/01_about/06_news_01.php?req_P=bv&req_BIDX=10&req_BNM=ed_ news&pt=17&req_VI=4404

230 V 400 V triphasé

16 A 3,7 kW 11,0 kW

32 A 7,4 kW 22,0 kW

63 A 14,5 kW 43,5 kW

Table 1.2 – Les différents modes de recharge du connecteur IEC 62196 européen

Cette proposition de standard supporte plus de modes que le connecteur SAE J1772, ces modes

détaillés dans le tableau1.2atteignent même le niveau 3 en pouvant délivrer jusqu’à 43,5 kW.

Connecteur CHAdeMO ou JARI (niveau 3)

Le connecteur CHAdeMO a été mis au point par une association éponyme regroupant The Tokyo Electric Power Company, Nissan, Mitsubishi, Fuji Heavy Industries (Subaru) et récem-ment Toyota. Ce connecteur peut délivrer jusqu’à 62.5 kW (500 Volts DC, 125 A). La Nissan Leaf, la Mitsubishi i-MiEV et la Subaru R1e sont compatibles avec ce chargeur. Hydro-Québec a rejoint l’association CHAdeMO en mai 2010.

Quelques acteurs des infrastructures pour véhicules branchables

– AddÉnergie31 _{propose de multiples bornes de recharge de niveau 2 avec connecteur}

SAE J1772 aussi bien pour les clients résidentiels que pour l’espace public. La compagnie québécoise développe également une borne de recharge rapide (niveau 3) sous licence.

– AeroVironment32_{propose une gamme étendue de bornes de recharge avec trois types}

de produits :

– Bornes unidirectionnelles lentes (7 kW) avec connecteur SAE J1772. – Bornes unidirectionnelles rapides (30-60 kW) avec connecteur CHAdeMO.

– Bornes bidirectionnelles extrêmement rapides (125-250 kW) avec connecteur non spécifié.

Ces bornes disposent d’une connectivité multiple au réseau en option : Wifi, Zigbee, Ethernet, GSM et CPL.

– BetterPlace33 _{semble plutôt miser sur les bornes de recharge lentes à domicile et des}

stations de remplacement de batteries pour l’espace public. Leur borne de recharge

fonc-31. http://www.addenergietechnologies.com/

32. http://evsolutions.avinc.com/

tionne sur du 220 Volts et utilise au choix un connecteur SAE J1772 ou IEC 62196.

– Coulomb Technologies34_{propose des bornes de recharge lentes pour plusieurs types}

de configuration, prises domestiques (Amérique du nord et Europe) ou SAE J1772 ainsi qu’une borne de recharge rapide (50 kW) avec le connecteur CHAdeMO. Leur réseau de

bornes aux Etats Unis est de plus consultable en ligne35_.

– DBT36_{offre des bornes de recharge lentes (4 kW) pour le marché européen avec}

connec-teur résidentiels ou un connecconnec-teur industriel Maréchal37_{. Leurs produits sont destinés à}

l’espace public avec système monétique intégré par carte à puce sans contact. La ville

de Paris a déployé ces bornes, la carte est disponible en ligne38_.

– ECOtality39 _{propose une station de recharge rapide (60 kW) appelée « blink »}40

uti-lisant le connecteur CHAdeMO. ECOtality prévoit le déploiement imminent d’un grand nombre de ces bornes sur le territoire américain à travers son initiative « The EV

pro-ject »41_{. Une carte est disponible pour consulter l’emplacement de ces bornes sur leur}

site.

– Green Motion42 _{propose une borne pour le marché européen utilisant au choix un}

connecteur résidentiel ou un connecteur IEC 60309 pour une puissance allant de 4 à

13 kW. L’emplacement de leurs bornes en Suisse est disponible sur leur site43_.

– Ideal Power Converters44 _{possède une technologie novatrice utilisée sous licence par}

Lockheed Martin qui permet de construire des chargeurs bidirectionnels plus légers, moins onéreux et plus efficaces. La compagnie prétend que son futur modèle commer-cialisé atteindra une efficacité de 97% dans les deux sens. Ce chargeur bidirectionnel utilisera leur technologie éprouvée dans le domaine photovoltaïque pour restituer l’éner-gie au réseau électrique. Sa puissance de charge sera de 30 kW et il devrait supporter le futur standard DC de SAE ainsi que CHAdeMO.

34. http://www.coulombtech.com/products-charging-stations.php 35. http://www.mychargepoint.net/find-stations.php 36. http://www.dbt.fr/spip.php?rubrique2 37. http://www.marechal.com/ 38. http://www.paris.fr/portail/pratique/Portal.lut?page_id=5775 39. http://www.ecotality.com/ 40. http://www.blinknetwork.com/ 41. http://www.theevproject.com/ 42. http://www.greenmotion.ch/fr/ 43. http://www.chargingstations.ch/poles/index.php 44. http://www.idealpowerconverters.com

Figure 1.14 – Vision d’ensemble des acteurs et défis à relever pour faire du SmartGarage une réalité [15].

1.3

V2G - Smart Grid

Nous avons maintenant un aperçu de l’état actuel des technologies matérielles disponibles et à venir pour la mise en place de systèmes V2G. Il est donc naturel de définir plus précisément les objectifs que l’on poursuit dans le domaine et de présenter les travaux déjà entrepris. 1.3.1 Définitions

Pour commencer, il est important de définir ce qu’est le V2G, les multiples formes qu’il peut prendre et exposer l’étendue de la tâche pour parvenir à une implantation des concepts en jeu. Nous allons donc le faire par l’intermédiaire des travaux d’un groupe regroupant les divers acteurs impliqués.

La fondation Rocky Mountain Institute et le Smart Garage

La fondation Rocky Mountain Institute [14] a développé un groupe de travail appelé Smart

Garage [15] co-financé par The Lemelson Foundation45 _{et Google.org, ce groupe réunit des}

entreprises de premier plan pour travailler sur le futur de l’automobile électrique et son inté-gration dans le réseau.

Le groupe de travail a organisé une « charrette »46 _{en octobre 2008, parmi les participants on}

45. http://www.lemelson.org/

46. Terme venant des étudiants en architecture français qui finissaient souvent leur travail dans la charrette qui les emmenait à l’université juste avant de rendre leur production.

peut noter la présence d’IBM, A123 Systems, Alec Brooks de Google (ancien d’AC Propulsion), Tesla, Nissan, GM, Ford et plusieurs compagnies électriques. Mis à part le consommateur, des

représentants de tous les acteurs clés du système (Key system players dans la figure 1.14)

étaient présents.

Plusieurs scénarios ont été définis en ce qui concerne l’intégration des véhicules électriques dans le réseau :

– V0G : Charge immédiate sur branchement.

– TC (Timed Charging) : Charge sur planification horaire ou signal du réseau électrique quand les prix sont bas et/ou la demande est basse.

– V1G (Charge Intelligente) : Le véhicule communique en temps réel avec le réseau et se charge quand le réseau en a besoin (évite les pics de demande trop forts pouvant déstabiliser le réseau et permet de faire de la régulation).

– V2B : Comme V2G mais seulement avec un immeuble ou un complexe.

– V2G : Comme V1G mais de manière bidirectionnelle, décharge quand le réseau en a besoin.

– V2G NGU : V2G du futur avec un réseau plus efficace reposant plus sur les énergies renouvelables.

Durant les 3 jours qu’a duré la charrette, le groupe de 80 ingénieurs/spécialistes a travaillé sur tous les aspects du « problème V2G » : les véhicules (existant, attendu), l’infrastructure de recharge (public, privé, qui paye ?), la standardisation des connecteurs, le réseau électrique (adaptation ou refonte complète) et enfin l’accueil du consommateur.

Les participants à cette charrette sont arrivés au consensus suivant : la solution technique à court terme (2 à 5 ans envisagés) est le V1G (des systèmes bien intégrés dans le réseau qui font de la charge unidirectionnelle mais de manière intelligente), même si à plus long terme le V2B, V2G ou V2G NGU sont des solutions plus élégantes et intéressantes tant pour les distributeurs d’électricité que pour les consommateurs.

1.3.2 Recherches des pionniers

Les recherches de Willet Kempton et coll. pour UC Davis

Dès 2001, W. Kempton47 _{et coll. publiaient un rapport [16] dans lequel ils détaillent les}

pos-sibilités d’utiliser des flottes de véhicules en interaction avec le réseau électrique californien

pour sa régulation.

L’équipe étudie trois paramètres des véhicules électriques : – la ressource que représente les véhicules électriques – la disponibilité de ces véhicules pour être connectés

– le potentiel économique de ces véhicules pour supporter le réseau pour la charge de base, les pics de puissance, comme réserve tournante ou comme service de régulation

Pour ce faire, l’étude se base sur les données des prix d’électricité de Californie pour les années 1998, 1999 et 2000 et compare trois types de véhicules :

– Véhicule électrique avec batterie (environ 10 kW) – Véhicule hybride (environ 30 kW sur moteur) – Pile à combustible (environ 40 kW)

Sur le principe que les véhicules sont immobilisés la plupart du temps et pourraient donc être branchés, l’équipe a simulé leur potentiel économique. Ils ont montré que les véhicules pou-vaient être très profitables pour leurs propriétaires si ils sont utilisés comme réserve tournante ou comme service de régulation et peuvent être profitables pour répondre aux pics de puissance mais dans une moindre mesure. Ce document qui est une base théorique incontournable sur la technologie V2G et les moyens de modélisation est complété par diverses études postérieures [17,18,19,20].

Les essais d’ACPropulsion – Alec N. Brooks, 2002

Ce projet [21], sponsorisé par le CARB48 _{présente une analyse détaillée des rouages de}

sys-tèmes de régulation du réseau électrique49 _{et comment la technologie V2G peut les apporter}

et ce en plus d’un support local pour les résidences. Un véhicule de test a été équipé d’un

système électrique bidirectionnel (voir 1.1.2 page 10) pour prendre de l’énergie au réseau, la

stocker dans des batteries et être capable de renvoyer cette énergie au réseau électrique.

L’ar-chitecture du système de contrôle du véhicule est présentée dans la figure 1.15. Le véhicule

était également équipé d’une connexion Internet sans fil, illustrée figure 1.16, permettant le

contrôle à distance de la gestion énergétique.

Les commandes de contrôle étaient envoyées au véhicule à intervalles de 4 secondes50 _{et la}

réponse du véhicule était surveillée et enregistrée.

48. California Air Resources Board :http://www.arb.ca.gov/

49. California Independent System Operator :http://www.caiso.com

Figure 1.15 – Schéma de l’architecture du système de contrôle V2G envisagé par AC Pro-pulsion [21].

Figure 1.16 – Schéma de l’architecture du système de régulation envisagé par AC Propulsion [21].

Les résultats obtenus ont montré que les temps de transmission sans fil convenaient pour res-pecter les contraintes du système Cal. ISO et que la charge sur la batterie due à l’activité de régulation était sensiblement identique à la charge d’une journée d’utilisation normale de la voiture. De plus, les bénéfices pécuniaires de cette activité de régulation du réseau excèdent les coûts liés à la dégradation de la batterie dans la plupart des scénarios envisagés par cette étude.

En 2008, Alec N. Brooks a été engagé par Google [2] pour s’occuper de la recherche sur les

énergies renouvelables et l’intégration des véhicules branchables dans le réseau électrique.

Les essais d’ACPropulsion – Thomas B. Gage, 2003

Ce projet [22], sponsorisé par le CARB lui aussi décrit la conception d’un véhicule utilisant

3 sources d’énergies (électrique, essence, gaz naturel) avec une propulsion hybride série. Le véhicule disposait d’une autonomie de 56 kilomètres sur batterie uniquement avec des perfor-mances suffisantes pour rouler sur autoroute. Lorsque la batterie atteint un seuil critique de décharge, le moteur à combustion prenait le relais pour fournir de l’électricité au moteur

élec-trique et recharger la batterie51_{. De plus ce véhicule pouvait se recharger en 1 heure connecté}

au réseau électrique, générer de l’électricité soit à partir du moteur à combustion interne avec de l’essence soit avec du gaz naturel et ce pour recharger les batteries ou fournir de l’électricité au réseau électrique ou une autre destination (résidence par exemple lors d’une coupure de courant).

Tout comme dans le projet précédent d’AC Propulsion [21], le véhicule était équipé d’une

liaison Internet sans fil qui assurait le contrôle de la gestion énergétique de l’engin. Ce véhi-cule a été testé sur près de 10 000 kilomètres en circulation et à l’arrêt. Le rapport étudie l’efficacité des différents modes de fonctionnement d’un tel véhicule ainsi que son impact sur l’environnement.

L’essai de W. Kempton en 2008 avec une eBox d’ACPropulsion

En 2008, W. Kempton et coll. ont publié [23] sur une expérimentation en conditions réelles

d’un véhicule électrique pour le stockage de l’énergie et la régulation de fréquence du réseau

PJM52_{. Ces travaux ont été réalisés en partenariat industrie-université.}

51. Exactement le même principe que pour la Chevrolet Volt. 52. http://www.pjm.com/

Figure 1.17 – Photo du stand de démonstration de la eBox modifiée par Kempton et coll. [23].

L’essai a été réalisé avec une eBox (1.1.2page12) dont le système a été modifié pour gérer et

réagir aux signaux de l’ISO (Independent System Operator) PJM pour participer à la

régula-tion du réseau en temps réel. La figure1.17 montre cette eBox modifiée reliée à un compteur

électrique spécialement installé pour afficher les échanges bidirectionnels.

À l’Université du Delaware, une passerelle de communication commerciale Arcom Director53

(matériel utilisé par les fournisseurs de services auxiliaires traditionnels qui ont pour charge de garder la fréquence et la tension du réseau électrique dans des limites acceptables) a été installée dans la voiture pour recevoir le signal de PJM et contrôler la charge et la décharge, la connexion est filaire avec un câble ethernet. Le véhicule répondant aux signaux de PJM est ca-pable de délivrer 19 kW et de répondre en moins d’une seconde. Les chercheurs de l’Université du Delaware ont imaginé un protocole de communication entre les systèmes et ont coordonné les modifications logicielles nécessaires avec AC Propulsion, Arcom et PJM.

Lorsqu’elle est branchée, la voiture envoie à un serveur de l’université les données sur l’état de charge de la batterie, la capacité de la prise de courant, le voltage de la batterie, le courant, le signal de régulation et d’autres variables, tout ceci est stocké sur le serveur. Les tests de régulation réalisés pendant la nuit, ont montré que cette régulation était majoritairement à la

baisse, donc privilégiant la recharge du véhicule. Un exemple de résultat, présenté figure1.18,

montre clairement que le véhicule se recharge plus qu’il n’envoie d’électricité au réseau.

Figure 1.18 – Régulation pendant la nuit avec des demandes de régulation à la baisse

domi-nantes (charge de la batterie) [23].

Encore une fois Kempton souligne que cette technologie serait particulièrement bien inté-grée dans une économie où la production électrique serait plus dépendante des énergies

re-nouvelables [20], les voitures stockant l’énergie quand les éoliennes, panneaux solaires, etc.,

produisent un surplus d’énergie et redistribuant cette énergie au réseau lors de creux de pro-duction.

Satisfaite des résultats obtenus avec cette eBox qui lui était prêtée, l’Université du Delaware l’a achetée et prévoit de constituer une flotte de véhicules d’un MW pour prendre un contrat

d’A/S54_{et tester le modèle technique et économique présenté à plus grande échelle.}

L’univer-sité possède actuellement 15 Mini-E offertes par BMW avec des chargeurs bidirectionnels de 18 kW, soit une flotte pouvant totaliser 270 kW.

1.4

Recharge intelligente

Suite aux travaux de Kempton et coll., un nombre grandissant d’articles à propos du « Smart Grid » et du V2G a fleuri aussi bien dans la communauté scientifique que dans la presse tra-ditionnelle, augmentant l’exposition et la compréhension de ces concepts pour le public.

Les concepts entourant le V2G ont été exposés [16] et la faisabilité de tels systèmes a été

démontrée [21,22,23]. Détailler les différents usages possibles du V2G [18] et estimer les

pos-sibilités financières de tels systèmes [17] fut un pas important dans ce domaine de recherche.

Dans l’optique d’une transition énergétique, la complémentarité entre le V2G et les sources

d’énergies renouvelables a aussi été investiguée [19, 20]. Dans la littérature, l’apport par le

V2G de services auxiliaires comme la régulation de fréquence a très tôt été identifié comme

son usage le plus avantageux [22] et est certainement le domaine le plus couvert [17,23,24,25].

Les concepts du V2G partent du principe que les véhicules électriques vont être déployés en masse et que l’arrivée de ces nouveaux acteurs pourrait alors mettre en difficulté le réseau

électrique [26]. Par exemple, Shahidinejad et coll. ont utilisé des données d’utilisation réelles

de véhicules pour prédire l’augmentation de la charge sur le réseau électrique qui leur serait

associée [27]. En utilisant soit un modèle stochastique, soit de la logique floue, la décision de

brancher ou non le véhicule à une borne de recharge entre les trajets est ainsi déterminée. La majeure partie des recherches effectuées dans le domaine s’accordent pour reconnaître la nécessité de mettre en place des agrégateurs dont le rôle serait d’organiser ce futur réseau intelligent en larges entités, chacune contrôlant une flotte de véhicules. En effet, chaque véhi-cule indépendamment ne représente pas une source conséquente de puissance. De ce fait, les caractéristiques requises pour les communications entre l’agrégateur et les véhicules sous son contrôle ont été décrites et des solutions potentielles aux problèmes posés ont été proposées [28,29].

Un autre aspect des agrégateurs est le processus de prise de décision pour planifier l’activité des véhicules dépendamment du but poursuivi. Différents algorithmes ont été investigués dans la littérature pour achever cette tâche. Sandels et coll. ont proposé un modèle d’agrégateur en appliquant au marché de contrôle allemand des simulations au moyen d’une méthode de type

Monte Carlo [30]. Sekyung et coll. ont détaillé les tâches qui incombent à un agrégateur et ont

utilisé la programmation dynamique pour maximiser l’état de charge des véhicules ainsi que