VEHICULES ELECTRIQUES, HYBRIDES ET A PILE A COMBUSTIBLEPartie 2: Véhicules hybrides et à pile à combusible

Pierre Duysinx

Université de Liège

Année Académique 2017-2018

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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 synchrone

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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Véhicules hybrides

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Réduire les émissions de CO2

source: www.nrel.org

Couper le moteur

à l’arrêt

Améliorer le rendement du moteur, downsizing

du moteur, réduction des frottements internes

Récupération

d’énergie au freinage

Réduction de masse, du S Cx,

de la résistance des pneumatiques…

Carburants

avec moins de

carbone

Maîtrise des

équipements

Simplification

transmission

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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

Source G. Coquery, INRETS 8

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

Récupération d’énergie au freinage

Mode zéro émission possible9

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

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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

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Technologies pour réduire les émissions de CO2

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

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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

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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

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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

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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…

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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.

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Véhicules hybrides

Principe de fonctionnement des véhicules hybrides hydrauliques

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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.

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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.

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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 essentiellement rentable en cycle urbain sans toutefois pénaliser les performances extra urbaines

Citroën C3 stop&start

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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

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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.

Hybride parallèle23

Véhicules hybrides

Parallel Hybrid

E

B

P M

G

T

F

Series Hybrid

F

E

B MP

T

Complex HybridSeries-Parallel Hybrid

B: BatteryE: Internal Combustion EngineF: Fuel TankG: GeneratorM: Electric MotorP: Power ConverterT: Transmission to wheels

F

M/G

M M

T

E

T

P

P

P

B

B

G

E

F Electric link

Hydraulic link

Mechanical link

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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 thermique

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Toyota Prius transmission

Transmission of Toyota Prius II

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Toyota Prius transmission

Transmission of Toyota Prius II

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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

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Véhicules hybrides

Différents scénarios de recharge des batteries

Charge sustaining

Charge depleting

Plug in

Range extender utilisant par exemple une pile à combustible

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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.

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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

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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 renouvelables, nucléaire…

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Piles à combustible

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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

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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)

Pile au Méthanol Direct

…35

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

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Véhicules à pile à combustible

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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

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Principe de fonctionnement d’une pile à combustible H2 – O2

39

Principe de fonctionnement d’une pile à combustible H2 – O2

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

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Principe de fonctionnement d’une pile à combustible H2 – O2

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

41

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.

42

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.

43

Caractéristique d’une cellule élémentaire de pile

Surtensions dans la pile44

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:

rev

elecE

U

45

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

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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%

smfurevpile

47

Lighter than air

Is hydrogen safe?

Fuel tank punctured0 seconds

Fuel set on fire3 seconds

Fuel tank burning60 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

Type de pile: PEMFC

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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.

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Véhicules à piles à combustible

Electronique contrôle

H2

P.A.C.HacheurConvertisseur DC/DC

Moteur Électrique

DC

Transmission par chaîne

Une solution éprouvée

Une fiabilité et une robustesse

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Véhicules à piles à combustible: PAC2FUTURE

H2

PAC

Electronique de contrôleet Hacheur

Moteur électrique52

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: Autonomie limité

Manipulation

Encombrement53

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

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TOYOTA Mirai

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Toyota MiraiCommercialization since January 2015 (Japan)

http://www.toyota-global.com/innovation/environmental_technology/fuelcell_vehicle/index.html

Development of MIRAI

Reduced number of cells in FC stack

Common use of hybrid units

FC boost converter

★FC stack

Innovative flow channel structureand Electrodes of cells for higher outputOutput/volume; 3.1kW/L

Humidifier less

Internal circulation

★High pressure

hydrogen tank

The light weight structure of carbon fiber reinforced plastic enabledStorage; 5.7 wt%*

world top level world top level

*Hydrogen mass/Tank mass

FC main components developed in-houseto 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)

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Marché et applications mobiles

Programme CUTE: clean Urban TransportNEBUS de Daimler Benz

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Marché et applications portables

PC, GSM etc.

Principalement basées sur des PAC au méthanol

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