Soutenance mémoire
Emergence des véhicules électriques
De nos jours, les contraintes liées à l’acceptation de masse des véhicules électriques par le grand public consistent en un trajet limité (autonomie) du véhicule et en un manque d’infrastructure développées (bornes de charges des batteries, standardisation des accessoires avec les protections associées, développement des chaînes de vente et de distribution, support technique, service après-vente, pièces de rechange). Le problème de l’autonomie trouve en partie sa réponse dans les efforts de recherche et de développement des batteries, des piles à combustible, et dans d’autres alternatives de source d’énergie. Une autre approche consiste à sensibiliser les personnes à l’utilisation de l’énergie propre et aux conséquences graves liées au réchauffement climatique et à la concentration atmosphérique des gaz à effet de serre.
Grâce aux progrès techniques, aux contraintes environnementales, à la raréfaction du pétrole ainsi qu’aux raisons économiques (baisse de consommation, indépendance énergétique), l’industrie des véhicules électriques reprend son émergence. Cette reprise est fondée sur sept piliers :
1- Des technologies de batterie en amélioration
2- Une montée en puissance des infrastructures : 4,4 millions de bornes de recharge en France d’ici 2020 pour un investissement total de 4 milliards d’euros [4], la fin de la construction de la première phase du gigantesque projet Tesla Gigafactory aux Etats-Unis dans le désert de Nevada prévue pour la fin de 2016 [5]
3- Une offre commerciale en évolution
4- Un partenariat plus poussé entre les constructeurs (Renault-Nissan, Chrysler-GM Ford,…)
5- Une conclusion quasi-définitive chez les constructeurs stipulant que la traction électrique pourrait représenter une grande part de marché dans le futur, ce qui a encouragé la concurrence et par conséquent les investissements à tous les niveaux.
6- Une technologie parrainée par les États : Le gouvernement américain a par exemple investi 2.4 Mds $ pour accélérer la construction et le déploiement de la nouvelle génération des batteries électriques, et prévoit investir 4,5 Mds $ dans le déploiement des bornes de recharge pour les véhicules électriques [6].
7- Une technologie plus maîtrisée : ce qui a amené les constructeurs les plus réticents, comme le groupe Daimler [7], à annoncer leur présence sur le marché de l’e-mobilité.
Selon la Banque Mondiale, la pollution de l’air majoritairement due aux rejets des particules fines des usines et des automobiles est responsable de la mort prématurée de 5,5 millions d’individus en 2013 [8]. Les véhicules électriques n’aideront pas fortement à réduire les émissions des gaz à effet de serre si l’énergie électrique provient toujours des centrales thermiques. Mais cela va contribuer certainement à une amélioration locale de la qualité d’air dans les villes où la voiture est perçue comme la première source de pollution.
Volonté politique
La volonté politique est l’un des moteurs de la transition vers le véhicule électrique. La loi n°2010-788 du 12 juillet 2010, en France, portant un engagement national pour l’environnement dite « Grenelle 2 » encourage la création et l’entretien des infrastructures de charge nécessaires à l’usage et au développement des véhicules électriques et hybrides rechargeables. L’objectif est d’atteindre le seuil des 100 000 véhicules électriques achetés dans les cinq prochaines années, 2 millions de voitures électriques d’ici 2020 [10]. Concrètement, le plan se déploie dans les différents domaines du véhicule électrique (batteries, véhicules, infrastructures de recharge, recherche, industrialisation, etc.). Un réseau de 900 000 points de recharge privés et 75 000 points de recharge accessibles au public fut prévu pour 2015, porté à 4 millions de points de recharge privés et 400 000 points de recharge publics en 2020 [11].
La Batterie
Introduction
L’outil le plus commun pour comparer les éléments de stockage est le tracé (ou diagramme, ou plan) de Ragone (Figure I.2). Le tracé consiste en un diagramme sur lequel chaque technologie est caractérisée par une zone représentant l’énergie spécifique vs la puissance spécifique. De cette façon, il est possible de choisir la meilleure technologie de stockage selon les conditions typiques d’utilisation exigées par l’application.
Il existe, principalement, deux technologies majeures de batteries électrochimiques utilisées dans le domaine des véhicules électriques : les batteries nickel-hydrure métallique NiMH (arrivées à maturité technologique) et les batteries Li-ion ayant un fort potentiel de croissance en termes de densité d’énergie, de maintenance, et de recharge rapide [14].
Constitution et caractéristiques d’une batterie Li-Ion
Une batterie Li-Ion est constituée de trois éléments principaux: la cathode (oxyde métallique de lithium), l’électrolyte (solvants organiques et sels à base de lithium) et l’anode (graphite). La cathode est l’électrode positive où une réaction de réduction se produit (les électrons sont acceptés provenant du circuit extérieur de charge), alors la réaction d’oxydation se produit à l’anode (les électrons sont libérés vers le circuit extérieur). L’électrolyte est un isolateur électronique, mais un bon conducteur ionique, sa fonction principale est d’assurer le transport des ions d’une électrode à une autre [18]. La tension ainsi que la capacité d’une cellule de batterie sont fonction des matériaux des électrodes utilisées.
Dégradation d’une batterie Li-ion
La dégradation d’une batterie implique une dégradation de sa puissance et de son énergie spécifique. Elle se traduit par quatre points faibles qui s’amplifient à chaque cycle d’utilisation:
➤ Formation de dendrite [23],
➤ Formation de SEI (Solid Electrolyte Interface) due à la réaction du graphite (anode) avec l’électrolyte [24],
➤ Changement de structure,
➤ Corrosion.
Lors d’une faible élévation de la température, les réactions entre l’électrolyte et les matériaux actifs de la cathode deviennent une source de problèmes, avec une augmentation de l’impédance de la cellule impliquant des pertes de capacité et une baisse de performance de la batterie. Le caractère aléatoire du lithium métallique noyé dans l’anode pendant l’intercalation résulte de la formation de dendrites. Au fil du temps, les dendrites peuvent s’accumuler et percer le séparateur, ce qui provoque un court-circuit entre les électrodes conduisant à un dégagement de chaleur, un incendie et/ou explosion par emballement thermique de la batterie [25]. A long terme, ces phénomènes présentent un danger pour la sécurité et les réactions secondaires peuvent conduire à des effets néfastes sur la batterie [26]. Il est à noter que plusieurs incendies sont survenus sur plusieurs véhicules électriques (Tesla Model S, Nissan Leaf, Chevy-Volt…).
Les Ultracapacités
Malgré les avantages de la batterie Li-ion sur les autres types de batteries classiques (NiMH ou à Plomb/acide) en termes d’énergie spécifique et puissance spécifique, le potentiel de l’utilisation des ultracapacités dans les applications à hautes puissances de traction électrique ne peut pas être surpassé pour deux raisons principales. Premièrement, lors des appels en puissance, la batterie est le siège de plusieurs phénomènes et réactions électrochimiques qui peuvent compromettre sa durée de vie, sa capacité, et même déclencher un incendie (cf. § I.1.5.c). En second lieu, sous des contraintes de profils de puissance hautement dynamique, les performances de l’UC sont bien supérieures à celles d’une batterie Li-Ion. L’effort sera donc de combiner l’énergie spécifique élevée offerte par la batterie avec la puissance spécifique élevée offerte par l’UC. Un tableau de comparaison entre les différentes technologies de stockage d’énergie (y inclue les prévisions jusqu’en 2020 de l’US Advanced Battery Consortium – USABC) ainsi que d’autres graphes intéressants peuvent se trouver dans la référence [31].
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Table des matières
Introduction Générale
Chapitre I : Etat de l’art et contexte de l’étude
I.1 Généralités
I.1.1 Introduction
I.1.2 Bref historique
I.1.3 Emergence des véhicules électriques
I.1.4 Volonté politique
I.1.5 La Batterie
I.1.5.a Introduction
I.1.5.b Constitution et caractéristiques d’une batterie Li-Ion
I.1.5.c Dégradation d’une batterie Li-ion
I.1.6 Les Ultracapacités
I.1.6.a Constitution et Caractéristiques des Ultracapacités
I.1.6.b Applications automobiles
I.1.7 Les machines électriques utilisées dans la traction
I.1.7.a Les exigences des moteurs électriques utilisés dans la traction des véhicules électriques
I.1.7.b Les différents types de moteurs
I.1.7.c Les moteurs synchrones à aimant permanent pour la propulsion des véhicules électriques
I.1.8 Les Moteur-roues
I.1.8.a Introduction
I.1.8.b Défis des véhicules électriques à moteur-roues
I.2 Commande des moteurs de traction
I.3 Etat de l’art sur les systèmes de stockage hybride d’énergie
I.3.1 Introduction
I.3.2 Différentes configurations de systèmes de stockage d’énergie hybrides
I.3.3 Système de stockage hybride proposé pour l’application
I.3.4 Stratégie de récupération
I.4 Les méthodes de freinage
I.4.1 Introduction
I.4.2 Méthode de freinage proposée
I.5 Utilisation des volants d’inertie dans les systèmes de stockage d’énergie hybrides
I.6 Besoins en logiciel
I.7 Conclusion
Chapitre II : Stratégie de commande des moteurs IPMSM pour une traction et un freinage régénératif optimaux
II.1 Généralités
II.1.1 Modèle mathématique de l’IPMSM
II.1.2 Contraintes de fonctionnement
II.2 Méthodes de commande de couple
II.2.1 Maximum Torque per Ampere Control (MTPA)
II.2.2 La commande VCLMT
II.2.3 Région à Puissance Constante
II.2.4 Combinaison de trois stratégies de commande
II.3 Décomposition des caractéristiques couple/vitesse en 5 zones
II.4 Equation mathématique pour chaque zone
II.4.1 Equations des Zone I et Zone II
II.4.2 Equations des Zone III, Zone IV et Zone V
II.4.3 Courbe séparant la Zone II de la Zone III
II.4.4 Courbe limitant la Zone V
II.5 Réglage des correcteurs des courants
II.5.1 Introduction
II.5.2 Réglage du courant
II.5.3 Réglage du courant
II.6 Résultats de simulation
II.6.1 Génération des tableaux de références
II.6.2 Couple de référence variable
II.7 Conclusion
Chapitre III : Comparaison entre deux méthodes de freinage intégrant un système de récupération d’énergie pour le véhicule
III.1 Introduction
III.2 Modèle cinématique du véhicule
III.2.1 Les références des coordonnées
III.2.2 Le parcours du véhicule dans le repère inertiel
III.2.3 Cinématique de braquage
III.2.4 Vecteur de vitesse
III.2.5 Angle de glissement latéral
III.2.6 Les coefficients de glissement
III.3 Modèle dynamique du véhicule
III.3.1 Dynamiques des roues
III.3.2 Friction pneu-route
III.3.3 Les freins hydrauliques
III.3.4 La force de résistance aérodynamique
III.3.5 La résistance de roulement
III.3.6 Charges normales aux pneus du véhicule
III.4 Commande par mode glissement du coefficient de glissement
III.4.1 Introduction
III.4.2 Conception du régulateur
III.5 Commande de freinage selon la règlementation ECE R13H
III.5.1 Introduction
III.5.2 Contraintes de distribution des forces de freinage avant/arrière
III.5.3 Stratégie de Distribution des Forces de Freinage
III.5.4 Stratégie de distribution entre forces de freinage électrique/mécanique pour les roues Avant
III.5.5 Système de stockage hybride
III.6 Système de Simulation
III.6.1 Introduction
III.6.2 Le modèle Simulink et les blocs de commande
III.6.3 Résultats de Simulation
III.6.3.a Surface à Coefficient de Friction Elevé
III.6.3.b Surfaces à Coefficients de Friction Moyen et Faible
III.7 Conclusion
Conclusion Générale
