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