La propulsion hybride: Une innovation clé pour le

La propulsion hybride: Une innovation clé
pour le véhicule de demain.
Joseph Beretta
Les grands challenges de demain:
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
Qualité de l’Air Eau potable
Ressources Primaires (energies, minerais,..)
Ressources alimentaires
Biodiversité
Réchauffement climatique
sécurité
2
Croissance de l’activité humaine 2008 ‐
2030
Parc automobile
x2
Source : AIE
La croissance sera tirée par les pays non OCDE
Le parc automobile x 2 en 2030
* PIB PPA = Produit Intérieur Brut en Parité de Pouvoir d’Achat
3
en 2030
Le besoin d’énergie
Demande mondiale d’énergie*
en millions bep/jour
Source total
Les énergies fossiles représenteront encore au moins 75 % du mix
énergétique mondial en 2030
4
Des objectifs de réduction du CO2 qui
convergent au niveau mondial
g de CO2/km
200g
210
CAFE* USA 200
190
180
165g
170
154g
162g
160
150
Objectif Gvt Chinois
194g
140g
147g
140
130
120g
130g
120
CAFE Europ
e
110
100
95g
90
80
2008
2010
2012
2014
2016
* Corporate Average Fuel Economy : consommation/émission de CO2
neufs vendus dans l’année 2018
2020
moyenne pondérée des véhicules 5
92g
2025
Des normes toujours plus exigeantes
(véhicule particulier)
Particules en Masse (g/km)
0,
16
Essence
HC
+
N
Ox
(g
/k
m
)
Euro 6
Source CCFA
Réduction drastique des limites d’émissions
6
Quelle est la solution ?
Diversification du véhicule?
Diversification de l’usage?
convertible
3 roues
City car
urbain
mobilité
Diversification des “ Fuels” ?
coupé
Peri urbain Cross over
Courte distance MPV
Bio fuels
Aujourd’hui
sedan
Hatchback
Electricité
LPG, CNG, H2
Essence/ Diesel
coach
Essence / Diesel
Mais, quid du client et du coût?
7
car sharing
CRV
Longue distance LDV
Demain
Une matrice complexe et pas de solution unique!
Hydrogene
i ve
rsif
ica
tion
€€€€€
Electricité
ion
New mobilité
Hybride r
€€
Fue
l
sd
€€€
Body
diver
sifica
t
New concept
Us
ag
e
s
Essence/ diesel €
New body
8
Pour relever ces défis, des avancées depuis plus de 20 ans dans de nombreux domaines
9
Optimisation globale de la performance environnementale
La nouvelle Peugeot 208 1,2l essence versus la Peugeot 207 1,3l essence
Groupe Motopropulseur adapté : ‐ 23% de conso
Aerodynamique : réduction
Gain Î 35g CO2
Gain Î 1g CO2
Masse véhicule : Resistance au roulement : 100kg en moins
Gain Î 4g CO2
Peugeot 208 : 99 g/km
Bénéfice global versus la Peugeot 207 : 45 g/km
de 2dm2 du SCx
25% de réduction de
resistance au roulement
Gain Î 5g CO2
10
Le panel énergies/ technologies
Avec la diversité des énergies, les approches du puits à la roue sont
nécessaires.
raffinages
Pétrole
age
(Conventionnel)
B5-B10
Diesel
Biodiesel
Pétrole éthanol
(Non‐Conventionnel)
Motorisation
Thermique
Ressource primaire Conversion vecteur d’énergie Moteur Diesel
B30
E5- E10
Essence
Moteur essence/flexfuel
E85
Bio 2°
génération
Syn fuels
CO H2
XtL
Biomasse
Moteur GNV
GNV
Moteur Hydrogène
Biogas
Hybride
Gaz Naturel
Hybride rechargeable Charbon
Renouvelables
(Solaire, vent, Hydro)
Nucléaire
Electrique Batterie
Hydrogène
Electrique PAC
11
Electrique
VE Range‐Extenter +:
Moteur thermique‐ PAC
Electrique
volume et masse de l’énergie
Volume de réservoir
pour faire le même
nombre de km
Masse de réservoir
pour faire le même
nombre de km
Rendement motorisation
Diesel=0, 23
Essence=0,18
Flex fuel=0,18
GNV =0,19
PAC=0,48
VE=0,87
12
Les déterminants pour l’automobile :
3 critères vertueux
– Rejet de CO2 du puits à la roue,
– Rendement du processus global,
– Coût de la technologie automobile, de l’énergie associée et de son usage
puits
réservoir
13
roue
bilan énergie climat (France)
MJ/km WtW for medium car
3
2,5
TtW
Energies: essence, diesel et électrique
Technologies: Thermique, Stop & Start, hybride, hybride rechargeable et électrique WtT
2
1,5
1
0,5
0
Petrol
P+STT
P+Hyb
Diesel
D+STT
D+Hyb
D+Phyb
EV
gCO2/km WtW medium car France
250
Le diesel + STT est au même niveau de CO2 que l’hybride essence
200
TtW
WtT
150
100
Augmenter l’efficacité
énergétique et réduire le CO2 = hybride
50
0
Petrol P+STT P+Hyb
Diesel D+STT D+Hyb
D+Phyb
EV
14
Cycles MVEG
Cycle MVEG :
Il est composé de 4 parties EUDC et d’une partie EDE.
Le protocole utilisé pour mesurer les émissions de CO₂ :
• Pour les Boites de vitesses manuelles, le rapport est imposé,
• Le véhicule servant à déterminer la loi de route est spécialement préparé pour minimiser cette dernière .
EDE
4x
EUDC
Cycles WLTC
Cycle WLTC :
Il est composé de 4 parties : Low, Medium, Hugh et extra High.
Le protocole utilisé pour mesurer les émissions de CO₂ :
• Pour les Boites de vitesses manuelles, le rapport est issu du GSI,
• Le véhicule servant à déterminer la loi de route est le véhicule réel.
Medium
Low
High
Extra High
Dynamique véhicule
Loi de Route = F0 + F1 * Vitesse véhicule + F2 * (Vitesse véhicule)²
Masse du véhicule = 800 Kg, F0 = 40 sur le plat , F1 = 0,4946
• Frottement sec = F0,
• Frottement visqueux = F1 * Vitesse véhicule
• Frottement aéro = F2 * (Vitesse véhicule)²
Récupération d’énergie
GMP hybride :
La quantité d’énergie récupérable en phase de décélération et réutilisable dépend essentiellement :
La loi de route : énergie dissipée en premier par la décélération,
Le rendement de la chaine de traction de la deuxième source d’énergie du système hybride.
Ratio de Décélération
inférieure à Décel Mini :
Cycle MVEG : 99,97%
Cycle WLTC : 58,36%
Véhicule Hybride
) UN VÉHICULE HYBRIDE EST PROPULSÉ PAR AU MOINS 2 SOURCES D’ÉNERGIE ASSOCIEES A DEUX CHAINES DE CONVERTION DIFFERENTES.
PRODUIT DE
DEGRADATION
Carburant +
Moteur thermique
SOURCE
D’ENERGIE
IRREVERSIBLE
Stockage électrique+
Moteur électrique
Stockage hydraulique+
Moteur hydraulique
Stockage mécanique +
Moteur mécanique
SOURCE
D’ENERGIE
REVERSIBLE
Noeud de
Puissance
Roues
les différents état de fonctionnement
Roulage
SOURCE
D'ENERGIE
THERMIQUE
SOURCE
D'ENERGIE
THERMIQUE
Arrêt
Accélération
SOURCE
D'ENERGIE
THERMIQUE
SOURCE D'ENERGIE ELECTRIQUE
SOURCE D'ENERGIE ELECTRIQUE
SOURCE
D'ENERGIE
THERMIQUE
SOURCE D'ENERGIE ELECTRIQUE
Décélération
SOURCE
D'ENERGIE
THERMIQUE
Recharge sur réseau
SOURCE D'ENERGIE ELECTRIQUE
SOURCE
D'ENERGIE
THERMIQUE
+ cas ZEV
SOURCE D'ENERGIE ELECTRIQUE
SOURCE D'ENERGIE ELECTRIQUE
Optimisation
Recharge
BILAN DES FONCTIONS
Electric energy recovery
FUEL ECONOMY
Engine load levelling
Stop & Start
DRIVING COMFORT
ZEV mode
vibrations - noise
Boost
ENVIRONMENT
RESPECT
VEHICLE PERFORMANCES
Turbolag
compensation
Hill holder
Anti-stall
Automation
DRIVEABILITY
Driving pleasure
Moteur Thermique
Cartographie de
consommation
spécifique : gr de
carburant par Kwh.
Représentatif du
rendement moteur :
500 gr/Kwh = 15%
230 gr/Kwh = 33%
Moteur Hydraulique
• Rendement de 70 à 94 %
Moteur Electrique
• Rendement 70 à 95 %
Les Architectures Hybrides
thermique pur
STT
Alterno-démarreur
moteur
thermique
Parallèle
Batterie
de
puissance
Série
groupe
électrogène
moteur
thermique
alternateur
moteur
électrique
Transmission mécanique
hybride parallèle
électrique pur
range extender :
hybride série
thermique pur ou pile à
combustible à transmission
électrique
Hybride série
High Power
& Torque
ƒ
ƒ
ƒ
Le moteur électrique assure seul la traction
Efficacité plus faible en mode hybride: somme des pertes de chaque composants ( ICE + alternateur + moteur électrique + x% batterie)
Coût élevé : 2 moteurs électriques de forte puissances + convertisseurs
26
Hybride Parallèle
Low Power & Torque
Seulement un moteur et convertisseur de puissance moyenne
Meilleur compromis entre coûts et avantages client
27
Hybride série‐parallèle / à dérivation de puissance
High Power & Torque
ƒ
ƒ
Très grande efficacité
Coût important : 2 moteurs électriques et convertisseurs de forte puissance
28
Gain de consommation
Puissance
électrique
~2kW
Moins de 10%
~6kW
De 10 à 30%
~25kW
+ de 30%
~40kW
Gain de
carburant
Différents degrés d’hybridation
( sur MVEG)
ƒ Micro Hybride
ƒ Stop&Start
ƒ Le moteur s’arrête quand le véhicule est à l’arrêt
ƒ Mild Hybride
ƒ Stop & Start + 1st étape de freinage récupératif ƒ Power assist – boost à l’accélération
ƒ Full Hybride
ƒ Mild Hybrid + optimisation énergétique, mode électrique (‐5km), freinage récupératif
ƒ Full Hybride rechargeable
5-7%
12-15%
25-45%
50-60%
ƒ Full Hybrid + mode ZEV(+ de 10 km)
29
Gain de consommation
Gain de consommation
Optimized Consumption
20/30kW est la puissance optimum pour CO2 / €
Au‐delà c’est pour augmenter les performances
31
Micro Hybride Stop & start / e‐HDi
Réduction de CO2
Cycle d’homologation
Cycle urbain dense
6 %
10% à 15 %
32
Stop & Start et consommation
15%
16
14
Fuel savings (%)
12
10%
10%
10
6%
8
6%
6
4
2
0
Town
Mixed
Standard cycles
Traffic Jam
City
Customer use
Sur motorisations essence et Diesel
‐ 0,7 à ‐1,0 l/100 km en ville
Silence à l’arrêt
Town
Mill Hybrid
• Conti mild hybride 48v
• Moteur éléctrique 8kW
• IMA de Honda
• 120v mild hybride
• Moteur électrique 10kW
Full Hybrid
• Jetta Full Hybride
• 20kW électrique
• Moteur essence 1,4lGDI
• Bosch Full Hybride
• 34 kW électrique
Hybrid Parallèle/série
• La référence La Toyota Prius
Architecture fonctionnelle Toyota Prius
ur
e
t
o
M
que
i
m
r
T he
ur
e
t
a
r
Géné rique
élect
ur
e
t
o
M
ue
q
i
r
t
Élec tion
Trac
Dérivation électrique
de puissance
Moteur électrique= 60kW
Générateur électrique= 30kW
37
hybride HYbrid4: full parallèle /mild série
2.0 l HDi FAP, 125 kW
200 CH e‐4WD
99 g CO2/km
3,8 l/100 km
Stop&Start Haute tension 8 kW Boite manuelle 6 vitesses automatisée
Superviseur chaine de transmission hybride Batterie haute tension (NiMh)
Electronique de Puissance
(Convertisseur & Onduleur haute tension)
Train arrière électrique 30 kW
Composants existants 38
Mild Série: 8 kW alternateur Stop&Start haute tension
Full Parallèle : 30 kW
Moteur électrique AR
Hybride Rechargeable
• Autonomie de 25 à 70 km en mode ZEV
• Recharge sur le réseau en 1 heure
• Les hybrides série sont majoritairement rechargeable
• Potentiel de réduction de CO2 important si usage ZEV majoritaire
l’Hybride rechargeable
o Roule au quotidien en électrique pur
o Totalement polyvalent
Lundi
Mardi
Mercredi
Jeudi
Usage quotidien courtes distances
Mode électrique + recharge électrique
Samedi
(+ congés)
Vendredi
Dimanche
(+ congés)
Usage occasionnel longues distances
Mode hybride + ravitaillement carburant
42
2 possibilités pour l’hybride rechargeable
Puissance de la batterie
50%
100% thermique
Puissance de traction
100%
électrique
Starter
generator
12V battery
thermique
STT
Véhicule full
hybride
Véhicule full
hybride
rechargeable
Véhicule
électrique
hybride
Rechargeable
Véhicule
électrique
km
électrique
énergie de la batterie
hybride
rechargeable
43
Le concept
Prise de charge
5 places
préservées
Moteur thermique
downsizé
60 kW
Moteur électrique
50 kW
En termes de kilomètres
d’autonomie par kilogramme de
stockeur, il y a un rapport de 50
à 70 entre le carburant et les
batteries actuelles !
Batterie
Réservoir de 30 litres
Masse
220 kg
~35 kg
Energie (totale)
15,2 kWh
260 kWh
Energie (utile)
11,5 kWh
260 kWh
Autonomie sur cycle
60 km
500 km
Temps de recharge
5 heures
< 5 mn
full parallèle / full série
Mode électrique
• 0 émission & silence
• 50 kW
• 110 km/h
Mode hybride
Autonomie
(km)
%
déplacements
80%
20%
•
•
•
•
110 g CO2 / km
110 kW
150 km/h
4x4
Full hybride rechargeable
Moteur Puissance : 73 kW
Batteries : Lithium Ion Info Batterie : Temps de charge : 1 heure 30 ‐
Récupération d'énergie par freinage
Autonomie : 23 (en tout électrique) km
Vitesse maximum : 180 km/h
Accélération : De 0 à 100 km/h en 11,3
hybride rechargeable :Range extender
hybride rechargeable :Range extender
Ampera: full série / full parallèle?
Hybrid Air
Hybride Hydraulique Dérivation de puissance = Full parallèle /full série
Mais avec peu d’énergie embarqué
50
Hybrid Air: full parallèle/full série
Une solution innovante « full hybride » essence
Une étape clé vers la voiture 2l/100 km à l’horizon 2020
51
Hybride mécanique:
Volvo kers system 25% de gain
Consommation énergétique des technologies électriques et usage
@J Beretta
4
VILLE
ROUTE
AUTOROUTE
3,5
conso MJ/km
3
2,5
2
1,5
65 km
Arrêt
toutes les 30’
1
0,5
100 km
150 km
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
Vmoy Km/h
THERMIQUE
STT
MILD HYBRIDE
FULL HYBRIDE
PLUGIN HYBRIDE
50 km
ELECTRIQUE
150 km
C4 essence 1.6i
Urbain:9,5l/100km
Ext urb:5,7ll/100km
53
Mixte :7,1l/100km
54
Conclusions
- Le moteur thermique sera toujours présent,
Il devra partager avec l’électricité.
- l’Hybride est une solution durable
-Orientation:
- Pour le coût = le micro et le Mild
- Pour les performances = le full en série/parallèle
-Explorer les autres voies que l’électrique:
- Hydraulique
- Mécanique
Choisir sa motorisation en fonction de son usage majoritaire