Technologies des voitures électriques : motorisations, batteries, hydrogène, recharge et interactions réseau

Résumé

Présentation des spécificités des organes de motorisation d'un véhicule électrique, des principales notions de génie électrique associées ainsi que des innovations à venir dans ce domaine. La technologie de la pile à combustible, les interactions avec le réseau électrique ou les moteurs font partie des sujets étudiés. ©Electre 2021

Contributeur(s)
- Gohin, Carla. Préfacier, etc.
- Bastard, Patrick. Préfacier, etc.
Éditeur(s)
- Dunod
Date
- 2021
Langues
- Français
Description matérielle
- 1 vol. (432 p.) ; 24 cm
Collections
- Technique et ingénierie
Sujet(s)
ISBN
- 978-2-10-081806-8
Indice
- 629.32 Automobile
Quatrième de couverture
- Technologies des voitures électriques
  L'électrification des véhicules routiers est au coeur de la communication, des innovations et des investissements des constructeurs automobiles. Rarement l'histoire aura vu une filière industrielle effectuer une mutation aussi rapide, renonçant à une prédominance de la motorisation thermique au profit de la motorisation électrique.
  Fruit du travail d'une équipe complémentaire de chercheurs, enseignants et ingénieurs, cet ouvrage détaille l'ensemble de l'écosystème impacté par l'électrification des véhicules :
  
  Les technologies présentes et à venir de la motorisation des véhicules électriques.
  
  Les batteries Li-lon et les recherches pour les améliorer.
  
  Les chargeurs du quotidien comme les chargeurs très haute puissance.
  
  Les contraintes mais aussi les bénéfices liés aux interactions des véhicules avec le réseau électrique (V2G).
  
  Le fonctionnement et les avancées dans le domaine des piles à combustible pour l'usage de l'hydrogène sur les véhicules routiers.
  
  En outre, deux annexes rappellent les fondamentaux des machines électriques et de l'électronique de puissance.
  Ce livre accompagnera les ingénieurs et techniciens du secteur automobile dans cette nécessaire mutation des compétences, tout en évoquant les innovations à venir.
  Points forts
  
  Une équipe d'auteurs associant enseignants/chercheurs et experts de l'industrie.
  
  Un champ de compétences très large, de l'électrochimie à la régulation du réseau.
  
  Une présentation complète et approfondie de l'écosystème voiture électrique, réseau et hydrogène compris.
  
  Un contenu à jour des innovations les plus récentes.
  
  Les perspectives pour le futur.
Tables des matières
- - Technologies des voitures électriques
  - Motorisations, batteries, hydrogène, recharge et interactions réseau
  - Anthony Juton, Xavier Rain, Valérie Sauvant-Moynot, François Orsini, Christelle Saber, Seddik Bacha, Olivier Bethoux, Éric Labouré
  - Patrick Bastard,
  - Carla Gohin,
  - Dunod
  - Introduction 1
  - Le véhicule électrifié, une solution d'avenir pour l'automobile ?1
  - Anthony Juton, Fabrice Le Berr
  - I.1 Véhicules électrifiés : hybride, électrique, hydrogène2
  - I.1.1 Micro-hybridation par alterno-démarreur (S&S)2
  - I.1.2 Hybridation légère (mild hybrid) (MHEV)3
  - I.1.3 Hybridation complète (HEV)4
  - I.1.4 Voiture hybride rechargeable (PHEV)7
  - I.1.5 Voiture électrique à batterie et prolongateur d'autonomie (EREV)7
  - I.1.6 Voiture électrique à batterie (BEV)9
  - I.1.7 Voiture électrique à pile à combustible (FCEV)9
  - I.2 Le marché du véhicule électrique en 202010
  - I.3 L'impact environnemental du véhicule électrique est-il réellement positif ?12
  - I.3.1 Véhicules urbains13
  - I.3.2 Véhicules cour de gamme et haut de gamme14
  - I.3.3 Bus15
  - I.3.4 Utilitaires - Camions16
  - I.4 Le véhicule électrique est-il économiquement viable ?16
  - I.4.1 Véhicules urbains16
  - I.4.2 Véhicules cour de gamme et haut de gamme17
  - I.4.3 Bus18
  - I.4.4 Utilitaires - Camions18
  - I.5 Les ressources en matières premières sont-elles suffisantes pour un développement massif des véhicules électrifiés ?19
  - I.5.1 Le cuivre19
  - I.5.2 Le lithium19
  - I.5.3 Le cobalt20
  - I.5.4 Les terres rares21
  - I.6 Conclusion22
  - Partie 125
  - État de l'art et perspectives des motorisations pour voitures électriques25
  - Xavier Rain, Sid-Ali Randi, Antoine Cizeron, Éric Gimet, Fabrice Le Berr
  - 1 Caractéristiques requises pour un moteur électrique de traction 26
  - 2 Les solutions actuelles de motorisations pour voitures électriques 30
  - 2.1 Moteur synchrone à aimants permanents30
  - 2.2 Moteur à induction36
  - 2.3 Moteur synchrone à rotor bobiné44
  - 2.4 Conclusion48
  - 3. État de l'art et perspectives des technologies de motorisations pour voitures électriques 50
  - 3.1 Les matériaux magnétiques50
  - 3.1.1 Introduction50
  - 3.1.2 Les matériaux ferromagnétiques doux50
  - 3.1.3 Les matériaux ferromagnétiques durs : les aimants permanents53
  - 3.2 Le bobinage des machines à courant alternatif54
  - 3.2.1 Introduction54
  - 3.2.2 Bobinage distribué dans des encoches54
  - 3.2.3 Bobinages dentaires58
  - 3.3 Techniques de refroidissement des machines60
  - 3.3.1 Introduction60
  - 3.3.2 Refroidissement par air des machines ouvertes61
  - 3.3.3 Refroidissement par eau des machines fermées65
  - 3.3.4 Refroidissement par fluide diélectrique (huile)67
  - 3.3.5 Comparaison de l'efficacité du refroidissement des machines selon les architectures et les fluides68
  - 3.4 Typologies non conventionnelles de machines : les machines synchrones à double excitation et les machines à flux axial70
  - 3.4.1 Les machines synchrones à double excitation70
  - 3.4.2 Les machines à flux axial72
  - 3.5 Conclusion72
  - 4 L'électronique de puissance et ses perspectives 74
  - 4.1 Précisions sur l'onduleur de tension74
  - 4.1.1 Fonction74
  - 4.1.2 Structures usuelles et grandeurs déterminantes77
  - 4.1.3 Décomposition du coût78
  - 4.2 Limites des solutions actuelles pour l'intégration80
  - 4.2.1 Réduction des connectiques et perturbations électromagnétiques81
  - 4.2.2 Vieillissement des isolants et des roulements82
  - 4.2.3 Niveaux de tension employés84
  - 4.2.4 Perspectives en termes de fractionnement85
  - 4.3 Semi-conducteurs à large bande interdite85
  - 4.3.1 Comparaison des propriétés physiques des différents semi-conducteurs d'électronique de puissance86
  - 4.3.2 Axes de recherche pour l'intégration des composants « grand gap » au sein des machines89
  - 4.4 Conclusion90
  - Partie 293
  - État de l'art et perspectives des batteries de voitures électriques93
  - Valérie Sauvant-Moynot, François Orsini, Anthony Juton
  - 5 Principe et caractéristiques d'une cellule Li-ion 94
  - 5.1 Principe général des batteries94
  - 5.2 Energie et puissance97
  - 5.3 Historique des batteries au lithium97
  - 5.4 Principe de fonctionnement du système Li-ion98
  - 5.5 Choix des électrodes100
  - 5.6 Le séparateur et l'électrolyte102
  - 6 Fabrication d'une batterie Li-ion 104
  - 6.1 Fabrication des électrodes104
  - 6.2 Assemblage de la cellule105
  - 6.3 Finition/Formation106
  - 6.4 Assemblage d'un pack batterie107
  - 6.5 Compromis puissance/énergie107
  - 6.6 BMS108
  - 6.7 Recyclage et émissions de C0₂109
  - 7 Caractéristiques actuelles des batteries 111
  - 7.1 Performances111
  - 7.2 Vieillissement/Durée de vie112
  - 7.3 Sécurité113
  - 7.4 Recharge114
  - 7.5 Coût116
  - 7.6 Les fabricants de batteries (cellules)117
  - 8 Innovations et perspectives 119
  - 8.1 Les tendances technologiques futures119
  - 8.2 Perspectives autour des batteries Li-ion120
  - 8.3 Les batteries Li tout solide122
  - 8.3.1 Matériaux122
  - 8.3.2 Mise en ouvre124
  - 8.4 Les batteries Li-S126
  - 8.5 Les batteries Li-air127
  - Conclusion 130
  - Partie 3131
  - État de l'art et perspectives des chargeurs de voitures électriques131
  - Christelle Saber, Éric Labouré, Anthony Juton, Mimoun Asker, Larbi Bendani, Damien-Pierre Sainflou, Najib Rouhana
  - 9 Infrastructure et bornes de recharge 133
  - 9.1 Présentation d'une chaîne de recharge conductive133
  - 9.2 Infrastructures de recharge137
  - 9.2.1 Point de recharge normale (AC, de 1,8 kW à 22 kW)137
  - 9.2.2 Point de recharge rapide (AC 43 kW - DC 50 kW → 350 kW)140
  - 9.2.3 Station de recharge rapide142
  - 9.3 Les connecteurs et communications véhicule - chargeur145
  - 9.3.1 CCS Combo 2146
  - 9.3.2 CHAdeMO149
  - 9.3.3 Autres formats150
  - 10 État de l'art des chargeurs de batteries conductifs pour voitures électriques 153
  - 10.1 Types de chargeurs154
  - 10.2 Compatibilité électromagnétique et sécurité des chargeurs157
  - 10.3 Exemples de chargeurs de batteries embarqués162
  - 10.3.1 Nissan Leaf : chargeur embarqué autonome et isolé du réseau162
  - 10.3.2 Renault ZOE : chargeur embarqué, non réversible, intégré à la chaîne de traction et non isolé du réseau164
  - 10.3.3 SOFRACI : chargeur embarqué, réversible, intégré à la chaîne de traction et non isolé du réseau164
  - 10.4 Les bornes de charge rapide DC haute puissance167
  - 10.4.1 Topologie du chargeur167
  - 10.4.2 Utilisation d'une électronique de puissance modulaire170
  - 10.4.3 Câbles de charge refroidis par liquide171
  - 10.4.4 Bus continu ou bus alternatif172
  - 11 Perspectives et technologies futures 174
  - 11.1 Technologies émergentes174
  - 11.1.1 Semi-conducteurs Grand Gap174
  - 11.1.2 Charge des batteries en 800 V175
  - 11.1.3 Meilleure prise en compte des perturbations CEM176
  - 11.2 Perspectives d'évolution des chargeurs176
  - 11.2.1 ChaoJi, évolution des standards CHAdeMO et GB/T176
  - 11.2.2 La charge automatique177
  - 11.2.3 Charge sans contact178
  - 11.2.4 Plug and Charge178
  - 11.2.5 V2G/communication avec l'infrastructure179
  - 12 Recharge sans contact des véhicules électriques 180
  - 12.1 Quelques exemples de réalisation181
  - 12.1.1 Recharge statique181
  - 12.1.2 Recharge dynamique181
  - 12.2 Normes relatives aux infrastructures de recharge183
  - 12.3 Principe physique du transfert d'énergie par induction185
  - 12.3.1 Cas d'une bobine unique185
  - 12.3.2 Cas de plusieurs bobines en interaction magnétique186
  - 12.4 Principe physique du transfert d'énergie par induction186
  - 12.5 Systèmes de transfert d'énergie électrique par induction188
  - 12.5.1 Architecture globale d'un système de transfert d'énergie188
  - 12.5.2 Structure électrique du dispositif de recharge et formes d'onde caractéristiques189
  - 12.5.3 Mise en équations et impédances190
  - 12.5.4 Réalisation du coupleur191
  - 12.5.5 Facteur de dimensionnement de l'électronique de puissance et pertes dans les convertisseurs191
  - 12.5.6 Efficacité énergétique du transfert d'énergie192
  - 12.5.7 Caractéristiques globales d'un système de transmission d'énergie par induction193
  - 12.6 Conclusion196
  - Partie 4197
  - Véhicule électrique et réseau électrique197
  - Seddik Bacha, Régis Le Drezen, Cédric Léonard, Damien-Pierre Sainflou
  - 13 Une consommation électrique nouvelle 198
  - 13.1 Préambule198
  - 13.2 Un sujet nouveau et multi-acteurs199
  - 13.3 Description du contenu200
  - 13.4 Définitions200
  - 13.4.1 Intégration intelligente de la recharge à une maison/un bâtiment : V2H/B200
  - 13.4.2 Fonctionnement en groupe électrogène temporaire : V2-Home off grid201
  - 13.4.3 Alimentation de consommateur nomade, fonctionnement en groupe électrogène autonome : V2-Load201
  - 13.4.4 Recharge entre véhicule : V2-Vehicle201
  - 14 Enjeux pour le système électrique 202
  - 14.1 Introduction202
  - 14.2 Enjeux pour l'équilibre entre l'offre et la demande d'électricité204
  - 14.2.1 La consommation d'électricité des véhicules électriques204
  - 14.2.2 Les appels de puissance au niveau du système électrique206
  - 14.2.3 Les enjeux du pilotage de la recharge pour l'intégration des véhicules électriques et les énergies renouvelables207
  - 14.2.4 Les enjeux sur la dynamique du système électrique et l'équilibrage court terme209
  - 14.3 Enjeux pour le réseau de transport210
  - 14.4 Intégration de la mobilité électrique dans le réseau de distribution211
  - 14.4.1 Les points de charge lorsqu'ils s'insèrent dans une installation existante212
  - 14.4.2 Les points de charge qui nécessitent la création d'une nouvelle connexion au réseau public de distribution215
  - 14.4.3 Les points de charge pour les longues distances217
  - 14.4.4 Le développement de l'infrastructure de recharge est intégré au réseau électrique à l'échelle locale218
  - 14.4.5 L'impact financier de l'intégration de la mobilité électrique220
  - 14.5 Réseaux insulaires221
  - 14.6 Un écosystème innovant et en voie d'industrialisation222
  - 15 Les opportunités et les mises en ouvre 223
  - 15.1 Introduction223
  - 15.2 La technologie VER est-elle mature ?224
  - 15.3 Accompagnement de l'intégration du renouvelable à large échelle225
  - 15.3.1 L'échelle d'un site, l'autoconsommation225
  - 15.3.2 À l'échelle locale226
  - 15.3.3 À l'échelle du système électrique227
  - 15.4 Fourniture de services au réseau227
  - 15.4.1 Une vue générale227
  - 15.4.2 Au niveau national - Réseau de transport228
  - 15.4.3 Au niveau local - Réseau de distribution229
  - 15.4.4 Au niveau local - Autres fonctionnalités230
  - 15.5 Mise en ouvre des solutions231
  - 15.5.1 Rappel des diverses solutions à mettre en ouvre231
  - 15.5.2 Quels rôles pour les acteurs ?232
  - 15.5.3 Les différents acteurs nécessaires à la réalisation d'un service réseau coordonné232
  - 15.5.4 Quelques aspects normatifs234
  - 15.6 Conclusion236
  - Partie 5237
  - État de l'art et perspectives des véhicules routiers fondés sur la pile à combustible237
  - Olivier Béthoux
  - 16 Principe et éléments du système pile à combustible 241
  - 16.1 La pile à combustible pour l'application traction241
  - 16.1.1 Cahier des charges241
  - 16.1.2. Principe de fonctionnement et implications242
  - 16.2 Constituants de la pile à combustible248
  - 16.2.1 La membrane249
  - 16.2.2 La couche active de l'électrode250
  - 16.2.3 La couche de diffusion de l'électrode252
  - 16.2.4 Plaques bipolaires252
  - 16.3 Système pile à combustible254
  - 16.3.1 La ligne d'air255
  - 16.3.2 La ligne de dihydrogène256
  - 16.3.3 La ligne électrique260
  - 16.3.4 La ligne thermique265
  - 16.3.5 Rendement système266
  - 17 Perspectives pour la pile à combustible et l'infrastructure hydrogène dans le transport routier 268
  - 17.1 Quelles perspectives pour les véhicules hydrogène ?268
  - 17.1.1 Véhicules hydrogène : projets de démonstration en cours268
  - 17.1.2 Véhicules hydrogène : niveau de maturité des briques technologiques et tendances associées272
  - 17.2. Développement d'une infrastructure277
  - 17.2.1 Production de dihydrogène278
  - 17.2.2 Stockage de dihydrogène284
  - 17.2.3 Transport du dihydrogène285
  - 17.2.4 Distribution au plus près du besoin287
  - 17.2.5 Sécurité287
  - Conclusion et perspectives : réflexion globale sur la place du dihydrogène dans la mobilité électrique 290
  - Annexes293
  - Annexe 1 - Les machines électriques pour voitures électriques294
  - Xavier Rain
  - A1.1 Les lois fondamentales de l'électromagnétisme294
  - A1.1.1 Notion de champ - champ électrique294
  - A1.1.2 Conduction - Résistance électrique - Courant électrique - Loi d'Ohm296
  - A1.1.3 Champ magnétique - Induction magnétique298
  - A1.1.4 Matériaux ferromagnétiques - Notion de saturation300
  - A1.1.5 Phénomènes d'induction - Loi de Lenz-Faraday302
  - A1.2 Principe général de la création du couple et classification des différentes machines électriques302
  - A1.2.1 Introduction302
  - A1.2.2 Mécanismes de création du couple électromagnétique 303
  - A1.2.3 Classification des machines électriques305
  - A1.3 Création du champ tournant statorique dans les machines à courant alternatif306
  - A1.3.1 Introduction306
  - A1.3.2 Principe de création du champ tournant statorique307
  - A1.4 Les machines synchrones non excitées315
  - A1.4.1 Introduction315
  - A1.4.2 Principe de fonctionnement de la machine synchrone à réluctance variable315
  - A1.4.3 Modélisation en régime permanent sinusoïdal de la machine synchrone à réluctance variable318
  - A1.4.4 Stratégies de commande et tracé de caractéristiques des machines synchrones à réluctance variable320
  - A1.5 Les machines synchrones excitées322
  - A1.5.1 Introduction322
  - A1.5.2 Principe de fonctionnement des machines synchrones excitées à pôles lisses322
  - A1.5.3 Modélisation des machines synchrones excitées à pôles lisses en régime permanent sinusoïdal324
  - A1.5.4 Stratégies de commande et tracé de caractéristiques des machines synchrones excitées à pôles lisses327
  - A1.5.5 Les machines excitées pour la traction330
  - A1.6 Les machines asynchrones332
  - A1.6.1 Introduction332
  - A1.6.2 Principe de fonctionnement de la machine asynchrone : action d'un champ tournant sur un circuit électrique fermé333
  - A1.6.3 Modélisation en régime permanent sinusoïdal336
  - A1.6.4 Stratégies de commande de la machine asynchrone et tracés de caractéristiques340
  - A1.7 Introduction à la commande des machines électriques dédiées à la traction343
  - Annexe 2 - Introduction à l'électronique de puissance347
  - Éric Labouré
  - A2.1 Principes fondamentaux de la conversion électronique de l'énergie348
  - A2.1.1 Moduler l'énergie348
  - A2.1.2 La contrainte du rendement énergétique349
  - A2.1.3 La modulation en électronique de puissance350
  - A2.1.4 Principe général d'un convertisseur électronique de puissance350
  - A2.1.5 Cas particulier de la conversion dc-dc352
  - A2.1.6 Structure de base de l'électronique de puissance : la cellule de commutation352
  - A2.1.7 Vers un fonctionnement bipolaire359
  - A2.2 Les pertes dans les convertisseurs électroniques de puissance367
  - A2.2.1 Les pertes par conduction367
  - A2.2.2 Les pertes par commutation368
  - A2.2.3 Conséquence sur la zone de fonctionnement courant/ fréquence accessible à un composant369
  - A2.3 Les convertisseurs électronique de puissance dans le véhicule électrique371
  - A2.3.1 Onduleur de traction et onduleur du compresseur de la pompe à chaleur371
  - A2.3.2 Convertisseur dc-dc réversible pour l'adaptation du niveau de tension batterie372
  - A2.3.3 Chargeur embarqué372
  - A2.3.4 Convertisseur dc-dc du réseau haute tension vers le réseau basse tension du véhicule374
  - Bibliographie 375
  - Index 391
Origine de la notice:
- Electre