VEHICULES ELECTRIQUES, HYBRIDES ET A PILE A COMBUSTIBLE
Partie 2: Véhicules hybrides et à pile à combusible
Pierre Duysinx Université de Liège
Année Académique 2017-2018
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
Plan de l’exposé
Introduction
Historique
Traction électrique des véhicules routiers
Motorisation électrique
Moteurs DC
Moteurs AC asynchrones
Moteurs AC synchrone
Systèmes de stockage d’énergie
Batteries
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
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
Véhicules hybrides
Réduire les émissions de CO 2
Couper le moteur à l’arrêt
Récupération
Réduction de masse, du S Cx,
de la résistance des pneumatiques…
Carburants avec moins de carbone
Maîtrise des équipements
Simplification
Vers l’hybridation
Problème du fonctionnement des systèmes de propulsion: la très grande variabilité des régimes de fonctionnement
Objectif: dimensionner à la puissance moyenne!
Moyen: stocker l’énergie véhicule hybride
Vers l’hybridation
Hybridation:
Combiner les motorisations thermiques et électriques pour mettre en avant leurs avantages et masquer les inconvénients
Utiliser un stockage de l’énergie pour diminuer l’effet des fluctuations
Amélioration de l’efficacité :
Downsizing moteur
Moteur thermique fonctionne dans des conditions optimales
Nivellement des pics de puissance
Vers l’hybridation
Différents niveaux d’hybridation:
Arrêt du moteur lors de l’arrêt du véhicule (Start
& Stop)
Assistance du moteur par un moteur électrique (Integrated Motor Assist)
Ex Honda Insight
Hybridation complète
Ex Toyota Prius
Véhicules électriques et hybrides
Estimation des gains de l’hybridation:
Arrêter le moteur si à l’arrêt: 8% gain de CO2
Récupération d’énergie au freinage : 13% de CO2
Downsizing du moteur : 30% CO2 de gain
Hybridation complète: 45% CO2 de gain
Technologies pour réduire les émissions de CO
2
Autres actions possibles pour réduire la consommation:
Réduire la masse, mais en opposition avec la demande d’un plus grand confort, d’une plus grande sécurité et des
voitures de plus haut de gamme
Réduire la traînée aérodynamique: Cx et surface frontale
Améliorer les pneumatiques
Faire évoluer la transmission
Maîtrise de la consommation des accessoires: Air conditionné, systèmes électriques (GPS, etc.)
Système de navigation optimisé et intelligent
Véhicules hybrides
Définition d’un véhicule hybride: un véhicule hybride est un véhicule qui combine l’utilisation et le stockage de deux ou de plusieurs sources d’énergie.
Sources d’énergie possibles:
Chimique : énergie du carburant transformée en énergie mécanique avec un moteur thermique par exemple
Électrique: batteries, moteurs électriques
Cinétique: volants d’inertie
Élastique: sous forme hydraulique ou pneumatique
Nucléaire
Véhicules hybrides
Pour les véhicules routiers:
La source d’énergie principale est généralement un moteur à combustion interne (moteur à pistons)
La source d’énergie auxiliaire ou secondaire est :
électrique (le plus souvent)
hydraulique
pneumatique
cinétique
Dans l’avenir la source d’énergie principale pourrait être aussi une pile à combustible
Source d’énergie principale
Motorisations alternatives au moteur à combustion interne
Possibilité de faire fonctionner le moteur à charge constante et vitesse de rotation fixe
Regain d’intérêt sur les turbine à gaz et les moteurs à vapeur
Source d’énergie principale
A moyen ou long terme, the piles à combustible peuvent servir de convertisseur d’énergie principal:
Technologie en pleine évolution positive
Pile à Hydrogène ou au méthanol
Problèmes principaux: le système de stockage ou de reformage du carburant
Le réseau de distribution et de vente
Autres problèmes: la fiabilité et le temps de vie…
Véhicules hybrides
Véhicule hybride électrique: une véhicule dans lequel l’énergie de propulsion est disponible sous deux ou plusieurs formes ou plusieurs types de stockage, sources ou convertisseurs et dont au moins une d’elles peut délivrer de l’énergie électrique (Chan, 2002)
Idem, hybrides hydrauliques.
Véhicules hybrides
Principe de fonctionnement des véhicules hybrides hydrauliques
Véhicules hybrides
On appelle « full hybrid » ou hybrides complets, les véhicules qui peuvent se mouvoir à basse vitesse sans utiliser leur moteur thermique (ou de l’énergie chimique). D’autres auteurs parlent de « full hybrid » lorsque les deux sources d’énergie peuvent être utilisées pour mouvoir le véhicule pendant un temps
significatif.
Au contraire les «mild hybrid » ou hybrides partiels ont toujours besoin de la source d’énergie primaire. La source d’énergie
secondaire est soit incapable de mouvoir seule le véhicule, soit elle ne peut le faire que pendant de très courtes périodes en aidant la source principale.
Véhicules hybrides
Dans les hybrides partiels, on distingue encore plusieurs sous- catégories.
Les hybrides Stop & Start sont utilisés pour pouvoir permettre de couper le moteur thermique à l’arrêt et de le redémarrer rapidement à la demande.
Les Alterno-Démarreur Intégrés avec Amortissement (ISAD)
sont des hybrides qui autorisent le moteur électrique à mouvoir le véhicule en plus de la fonction stop & start.
Les hybrides avec Assistance du Moteur Intégrée (IMA) sont
similaires au Alterno-Démarreurs Intégrés, mais ils possèdent un plus gros moteur électrique qui peut être utiliser pour mouvoir effectivement le véhicule.
Véhicules micro-hybrides
Le système Stop & Start se base sur le principe de l'alterno-
démarreur qui associe la boîte de vitesses robotisée à l'alternateur.
A l'utilisation, ce système se manifeste par l'arrêt du moteur pendant l'immobilisation du
véhicule : dans les bouchons par exemple. Le moteur redémarre, sans surconsommation, au lâché de la pédale de frein. Le Stop &
Start réduit ainsi la consommation et les émissions de CO2 d’environ 10 %. Ce système est
Citroën C3 stop&start
Véhicules hybrides
On distingue encore les hybrides séries des hybrides parallèles.
Dans un hybride série, la source d’énergie primaire est utilisée pour actionner une génératrice de courant qui peut soit
recharger les batteries soit délivrer de la puissance au moteur électrique qui est le seul à mouvoir les roues.
Hybride série
Véhicules hybrides
Dans un hybride parallèle, les deux types de motorisations
peuvent actionner les roues indépendamment l’une de l’autre ou en combinaison.
Typiquement le réservoir à carburant fournit de l’énergie au moteur thermique pendant que, en parallèle, les batteries délivrent de l’énergie électrique au moteur électrique.
Véhicules hybrides
Parallel Hybrid E
P M
G
T
F Series Hybrid
F
E
B P M
T
Complex Hybrid Series-Parallel Hybrid
B: Battery
E: Internal Combustion Engine F: Fuel Tank
G: Generator M: Electric Motor P: Power Converter
T: Transmission to wheels
F
M/G
T
E P T
B
G
E
F Electric link
Hydraulic link Mechanical link
Véhicules hybrides
En outre, avec la complexité des conceptions, on distingue maintenant d’autres morphologies de la chaîne de traction hybride (Chan, 2002)
La configuration série-parallèle: les deux sources d’énergie peuvent actionner les roues. Toutefois un dispositif est prévu afin de permettre de retomber sur une architecture série en introduisant une génératrice entre le moteur thermique et les batteries.
La configuration hybride complexe permet également le
couplage des deux systèmes de motorisation aux roues, mais un arrangement plus complexe permet d’utiliser une machine
électrique pour recevoir ou restituer de l’énergie au moteur
Toyota Prius transmission
Transmission of Toyota Prius II
Toyota Prius transmission
Transmission of Toyota Prius II
Véhicules hybrides
Le concepteur peut décider si les batteries sont chargées à partir du réseau électrique ou bien seulement à partir de la source primaire, c’est-à-dire le moteur thermique. Ceci donne lieu à une nouvelle distinction dans les véhicules hybrides.
Les véhicules à « charge sustaining » ne sont capables de maintenir l’état de charge des batteries que grâce à la source d’énergie primaire (le moteur thermique).
Les véhicules à « charge depleting » ne sont pas capables de maintenir l’état de charge des batteries qui nécessite l’utilisation d’une recharge sur le réseau électrique.
Les véhicules hybrides « plug-in » sont ceux qui sont capables de recharger leurs charges sur le réseau
Véhicules hybrides
Différents scénarios de recharge des batteries
Charge sustaining
Charge depleting
Plug in
Range extender utilisant par exemple une pile à combustible
Véhicules hybrides
Les véhicules à « charge sustaining »
Ils sont caractérisés par les seules émissions et la consommation du moteur thermique.
Ils ne demandent pas de modifications des habitudes du
conducteur pour planifier la recharge des batteries qui peut être longue
La solution ne dépend pas d’infrastructure particulière pour le rechargement des batteries
Le bénéfice venant de l’hybridation en termes d’émission et de consommation est souvent moindre à cause de la nécessité de devoir recharger les batteries avec le moteur à combustion interne.
Véhicules hybrides
Les véhicules à « charge depleting »
Ils caractérisés par la consommation de carburant et par la consommation d’électricité (en kWh/100km) et les émissions moyennes liées à la production d’un kWh sur le réseau.
Un grand avantage est que les émissions de CO2 et de polluants associées à la production d’électricité peuvent être relativement basses, car la production d’électricité est effectuée dans des
installations importantes équipées de systèmes de dépollutions, de centrales nucléaires, ou à partir d’énergie verte.
Demande une modification des habitudes du consommateur et une discipline proche de celle du véhicule électrique à batterie
Requiert le déploiement d’une infrastructure de bornes de recharge
Véhicules hybrides
Les véhicules « plug-in hybrids » :
Ils sont caractérisés à la fois par leur consommation en carburant (l/100km) et celle en énergie électrique (kWh/100km). Cette dernière est liée aux émissions moyennes nécessaires pour la production du kWh sur le réseau.
Ils peuvent être utilisés dans des conditions normales même si la batterie n’a pas pu être rechargée au dépend d’une consommation en carburant plus élevée.
Charger les batteries sur le réseau électrique est favorable et réduit les émissions et la consommation d’énergie primaire. Cela requiert cependant une certain discipline de l’utilisateur.
La meilleure efficacité énergétique est atteinte lorsque l’utilisateur peut mettre à profit le plus faible impact environnemental lorsqu’on utilise des installations et en utilisant l’énergie verte (sources
Piles à combustible
PILES A COMBUSTIBLE: C’EST QUOI?
Système de conversion directe de l’énergie d’un combustible en
électricité
Réaction électrochimique (oxydo- réduction) sans flamme
La pile à hydrogène H2 – O2 : réaction inverse de l’électrolyse de l’eau
Réactifs introduits et renouvelés tandis que les produits de réaction enlevés en continu
Rendement élevé (~50%)
Coût des électrodes: métaux précieux
PILES A COMBUSTIBLE A HYDROGENE
Avantages:
Fonctionnement silencieux
Rendement théorique élevé (supérieur à 50%)
Pas de rejet direct de polluants
Inconvénients:
Coût des électrodes (Pt, Rh…)
Pureté des combustibles
On distingue actuellement différents types de piles à combustibles
Piles PEM (polymer exchange membrane)
Véhicules à pile à combustible
Pas de rejet sauf H2O pur ZEV
Opération quasi silencieuse
Configuration généralement hybride série
Batterie de stockage ou supercapacité
Récupération d’énergie au freinage
Downsizing de la pile
H2 ou double énergie (réseau + H2)
H2 production et distribution ?
H2 stockage autonomie
Battery
M/G
Fuel cells
Wheels Node
Tank
Chemical
Electrical
Mechanical
Toyota Mirai
Véhicules à pile à combustible
Principe de fonctionnement des PAC
Le combustible : généralement l’hydrogène.
Le comburant : l’oxygène de l’air
Hydrogène + Oxygène Vapeur d’eau + électricité + chaleur
Électricité : courant continu
Principe de fonctionnement d’une pile à
combustible H
2– O
2Principe de fonctionnement d’une pile à combustible H
2– O
2 A l’anode: oxydation de l’hydrogène (réaction catalysée)
H2 2 H+ + 2 e- électrolyte acide
H2 + 2 OH- 2 H2O + 2 e- électrolyte basique
A la cathode, oxydation de l’oxygène (réaction catalysée)
1/2 O2 + 2 H+ + 2e- H2O électrolyte acide
1/2 O2 + H2O + 2e- 2 OH- électrolyte basique
Bilan
H2 + 1/2 O2 H2O + chaleur
Principe de fonctionnement d’une pile à combustible H
2– O
2 Il s’agit en fait de la réaction inverse de l’électrolyse de l’eau
Cette réaction est exothermique à 25 °C
L'enthalpie libre de la réaction est de -237 ou -229 kJ/mol selon que l'eau formée est liquide ou gazeuse.
Ceci correspond à des tensions théoriques de 1,23 et 1,18 V.
Cette tension dépend aussi de la température
Besoin d’un catalyseur (Pt ou Pt/Ru) pour activer (accélérer) les réactions
Montage d’une pile
En pratique, les cellules élémentaires sont assemblées en série ou en parallèle les unes avec les autres pour former une pile ou stack.
Montage d’une pile
La puissance du stack dépend du nombre de cellules et de leur surface.
On peut ainsi couvrir une large gamme de puissance du kW à plusieurs MW.
Il existe même des versions miniaturisées de quelques W.
Caractéristique d’une cellule élémentaire de pile
Pertes de rendement
Baisse de rendement due aux surtensions:
Irréversibilités des réactions: polarisation d’activation
Résistance électrique interne: chute ohmique.
Résistance à l’apport des réactifs et à l’évacuation des produits (diffusion): polarisation de concentration
Ce rendement dépend du catalyseur, de l’état des électrodes, de l’utilisation de l’air au lieu de l’oxygène pur, les conditions de
température / pression
Le rendement électrique se calcule par le rapport entre la tension de la pile et la tension Eréversible à la température considérée:
U
Pertes de rendement
Rendement faradique:
Tient compte du nombre d’électrons effectivement obtenus par mole de carburant
Tient compte aussi de court-circuit internes
Rendement de matière
Tient compte de l’utilisation du réactif au niveau des électrodes
Tout le H2 ne sera pas consommé
Rendement système:
Nécessité de composants périphériques: compresseurs, système de contrôle, échangeurs de chaleur, système de reformage
(désulfuration, échangeur, purification)
Généralement 80% de rendement
Pertes de rendement
Rendement global de la pile
Exemple H2/O2 à 80°C, pile PEMFC avec tension de 0,7V pour 350 mA/cm²
rendement théorique « réversible »: 0,936
rendement électrique: 0,60
rendement faradique: 1
rendement matière: 0,90
rendement système: 0,95
Total: 48%
s m f
u rev
pile
Lighter than air
Is hydrogen safe?
Fuel tank punctured 0 seconds
Fuel set on fire3 seconds
Fuel tank burning 60 seconds
Applications mobiles
Marchés de niches:
vélo, kart de golf, trottinette, etc.
Automobile:
Marché le plus lent à se développer
Propulsion: commercialisation vers 2020-2025?
Alimentation électrique des véhicules
Véhicule hybride: hybrides série avec source d’énergie primaire fournie par une PAC
Lié à la création du réseau de distribution de l'H2
Problème du stockage
Applications mobiles
Bus:
65 bus construits à ce jour (44 en Europe) dont 33 mis en service en 2003 projets de démonstration
Commercialisation limitée par la disponibilité des piles de puissance (200 kW) et par le coût (1.5 M€)
Type de pile: PEMFC
Combustible: hydrogène comprimé
Véhicules militaires:
UAV (avion sans pilote)
Sous-marins
etc.
Véhicules à piles à combustible
Electron ique contrôle H2
P.A.C. HacheurConvertisseur DC/DC
Moteur Transmission par chaîne
Une solution éprouvée
Une fiabilité et une robustesse
Véhicules à piles à combustible:
PAC2FUTURE
H2
PAC
Electronique de contrôle et Hacheur
Véhicules à piles à combustible:
PAC2FUTURE
Avantages:
Avantages des véhicules électriques:
Mode zéro émission,
Opération quasi silencieuse
Couple important et conduite urbaine, conduite souple
Désavantages:
Variation importante de la tension avec le courant
Nécessité d’une électronique de puissance et de contrôle assez sophistiquée
Réservoir d’hydrogène:
Véhicules hybrides à piles à combustible
Configuration généralement hybride série
Batterie de stockage ou super- capacité
Récupération d’énergie au freinage
Downsizing de la pile
H2 ou double énergie (réseau + H2)
H2 production et distribution ?
H2 stockage autonomie
Battery
M/G
Fuel cells
Wheels Node
Tank
Chemical
Electrical
Mechanical
TOYOTA Mirai
Toyota Mirai
Commercialization since January 2015 (Japan)
Development of MIRAI
Reduced number of cells in FC stack Common use of hybrid units
FC boost converter
★
FC stackInnovative flow channel structure
and Electrodes of cells for higher output Output/volume; 3.1kW/L
Humidifier less
Internal circulation
★
High pressure hydrogen tankThe light weight structure of
carbon fiber reinforced plastic enabled Storage; 5.7 wt%*
world top level world top level
*Hydrogen mass/Tank mass
FC main components developed in-house to achieve world leading performance
Toyota FCHV-Bus 1/2
Configuration hybride
PAC : 2 PAC de 90 kW
Batteries: NiMH
Réservoir de H2 comprimé à 250 bars
Moteur électrique synchrone à aimants permanents (PM)
Marché et applications mobiles
Programme CUTE: clean Urban Transport
NEBUS de Daimler Benz
Marché et applications portables
PC, GSM etc.
Principalement basées sur des PAC au méthanol