vers des bilans énergétiques en usage réel

Mi-parcours du Predit 4 : le Carrefour de la recherche et de l'innovation dans les transports terrestres
Motorisations électriques et hybrides :
vers des bilans énergétiques en usage réel
Jean Delsey, IFSTTAR
Arnaud Delaille, CEA
Daniel Neveu, Valeo Systèmes Thermiques
Gérard Olivier, Renault
Georges Gallais, VU Log
.I
Introduction
Les motorisations électriques et hybrides constituent une des solutions pertinentes pour
l'avenir des transports terrestres. Certains travaux relatifs à cette thématique sont en voie
d'achèvement et méritent donc d'être portés à l'attention des chercheurs et des industriels.
.II
Présentations
SIMCAL : Etude et modélisation du vieillissement calendaire des batteries
NiMH et Li-Ion embarquées dans des véhicules routiers, Arnaud Delaille, CEA
1.
Le projet SIMCAL vise à étudier et modéliser le vieillissement calendaire des batteries LiIon et NiMH, lequel constitue une part importante de leur usure, car les véhicules restent
parqués 95 % du temps. Le projet permettra également de prédire la durée de vie des
batteries.
Sept technologies différentes sont étudiées en fonction des paramètres de SOC (état de
charge) et de température. Les échantillons, une fois vieillis, subissent des
caractérisations électriques et, pour certaines, des analyses physicochimiques
post mortem.
En phase de rodage, l'état de charge, la valeur de capacité, la dispersion des résultats et
la stabilité sont étudiés. Certains éléments dépassent largement le critère légal de SOC à
réception (50 %). La capacité mesurée au 6ème cycle s'avère conforme aux valeurs
nominales annoncées, à l'exception de la technologie A123Systems. Les dispersions de
capacité restent par ailleurs très faibles. Enfin, l'évolution de la capacité demeure très
stable, à l'exception des éléments Kokam et NiMH SAFT qui affichent un léger gain.
Le vieillissement calendaire s'accroît avec la température et un SOC élevé, comme
attendu. En revanche, certains SOC présentent des synergies avec des températures
particulières.
Chaque technologie présente un comportement singulier. Dans le pire cas, la fin de vie est
atteinte en deux mois. La meilleure tenue calendaire est obtenue avec les NiMH, mais
l'autodécharge peut atteindre 80 %. Une étude couplant SIMSTOCK, qui étudie l'effet du
cyclage, et SIMCAL montre en outre que le calendaire peut devenir prépondérant par
rapport au cyclage dans certaines conditions.
Bordeaux, les 10, 11 et 12 mai 2011
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Questions / Débat :
• Politique de confidentialité
Les fournisseurs ne sont pas nommés dans les comparaisons entre technologies. Chaque
fabricant recevra uniquement ses propres résultats, à l'exception des membres du
consortium qui les recevront en intégralité. Le niveau de communication à la communauté
scientifique sera décidé ultérieurement.
• Etude de l'influence des basses températures
Elles seront principalement étudiées au niveau du cyclage, car elles figent le vieillissement
calendaire.
2. VEGA/THOP : Véhicule électrique à Grande Autonomie, système de gestion
thermique optimisée du confort de l'habitacle et de la chaîne de traction, Daniel
Neveu, Valeo Systèmes Thermiques et Gérard Olivier, Renault
L'autonomie du véhicule électrique constitue un facteur majeur pour son adoption par le
marché. Or, le confort thermique reste le premier poste de consommation électrique après
le roulage.
Les besoins thermiques sont centrés sur deux grandeurs, le débit et la température de
l'air. La gestion de la quantité d'air neuf dans l'habitacle permet également de réguler
l'humidité et donc l'embuage des surfaces vitrées.
La plage de puissance thermique nécessaire pour assurer le confort augmente en hiver et
avec la nécessité de déshumidifier à mi-saison. En été, l'effet thermodynamique de la
boucle de réfrigération permet d'utiliser moins d'énergie. Les consommations électriques
nécessaires au confort restent du même ordre que celles dédiées au roulage, notamment
pour les températures extrêmes. Sur un profil de roulage urbain, la perte d'autonomie peut
atteindre 50 % en hiver (à 0°) et 35 % en été (à 35°). La perte s'amoindrit en profil
périurbain.
Les solutions proposées pour économiser l'énergie s'avèrent multiples :
-
un taux de renouvellement d'air réduit et contrôlé, avec notamment des capteurs
d'embuage ;
-
une gestion de l'air dans l'habitacle par zones ;
-
des vitrages techniques : réfléchissants, hydrophobes … ;
-
des sièges chauffants et rafraîchissants ;
-
une individualisation de la distribution d'air ;
-
une architecture thermique mise en réseau autour d'un circuit frigorigène et d'un
circuit d'eau glycolée ;
-
des radiateurs à bi-température.
Des stratégies de récupération et de stockage thermique viennent complémenter les
démarches d'économie d'énergie et d'optimisation de son utilisation. L'introduction de
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pompes à chaleur et d'un chauffage électrique permettra d'améliorer l'efficacité des
systèmes de production de chaleur.
En combinant les solutions, les gains d'énergie peuvent permettre de préserver plus de
80 % de l'autonomie du véhicule.
Deux véhicules démonstrateurs seront équipés au second semestre afin de tester les
solutions selon les différents types de roulage et d'utilisation du véhicule. Les plus
pertinentes d'entre elles pourront être appliquées non seulement aux prochains véhicules
électriques, mais également aux véhicules hybrides et thermiques.
Questions / Débat :
• Moyen de stockage thermique
A court terme, il est réalisé par stockage à chaleur sensible. Un système à changement de
phase est en cours de mise au point. Ce type de système peut également être utilisé
comme réchauffeur pour le circuit d'eau moteur dans le cas d'une application sur un
véhicule hybride.
• Coefficient de performance pour les pompes à chaleur
Les pompes directes air/air présentent les caractéristiques les plus favorables mais les
pompes air/eau peuvent être mutualisées avec un circuit d'eau de refroidissement. Avec
un réfrigérant de type R-134a le coefficient peut atteindre 2,5 autour de 0°C mais chute
rapidement pour des températures plus basses. Avec du CO2 il s'élève encore à 2 à
-20°C.
• Pompe à chaleur et face avant véhicule
La partie basse pression en face avant du véhicule représente l'élément majeur de la
pompe à chaleur pour minimiser les pertes de charge. Les stratégies de dégivrage de la
face avant (au niveau des échangeurs) doivent également être transparentes pour
l'utilisateur.
• Stratification de la ventilation basée sur des durées d'utilisations longues
La gestion de l'air a été optimisée. Un véhicule démonstrateur a été équipé d'une
ventilation basse en position centrale présentant un intérêt pour le confort thermique des
passagers à l'arrière du véhicule.
• Maintien des coûts et des masses actuels des véhicules
Les ratios coût/valeur ont été pris en compte dans l'analyse technico-économique.
L'augmentation relative de la masse du véhicule reste faible pour un véhicule électrique,
c'est un peu moins le cas pour un véhicule à motorisation thermique qui est à la base
moins lourd.
• Utilisation de l'énergie calorifique de la batterie
Un refroidissement par liquide est nécessaire pour récupérer de l'énergie thermique au
niveau de la batterie et gérer sa température. L'impact de cette démarche n'est pas
encore pris en compte.
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3. VME : Ville, Mobilités, Energies – Optimisation de la consommation d'énergie des
véhicules électriques urbains, Georges Gallais, VU Log
Ce projet permet de développer des outils favorables à une nouvelle organisation de la
mobilité de proximité, par l'étude de l'amélioration des performances des véhicules en
libre-service et l'analyse des trajets des clients de ce service.
L'exploitation de la base de trajets permet de cartographier la puissance nécessaire pour
chaque axe routier. Le trajet moyen enregistré représente 2,56 kilomètres, pour une
énergie moyenne consommée de 200 Wh par kilomètre et une émission de 18,4 grammes
de CO2 par kilomètre dans le cas du mix électrique français.
L'algorithme d'optimisation visant à obtenir le même temps de trajet mais avec une
consommation énergétique moindre montre un potentiel d'économie d'énergie au niveau
de la batterie supérieur à 10 % sur chaque trajet. En l'appliquant à tous les conducteurs,
l'économie théorique atteint 37 % et l'autonomie augmenterait de 59 %.
Un système d'écoconduite a été lancé. Un indicateur passe du vert à l'orange puis au
rouge en fonction de la consommation énergétique.
Questions / Débat :
• Caractéristiques des batteries des véhicules
Les batteries équipant les véhicules sont de type NiMH d'une puissance de 7 kW,
permettant 100 kilomètres d'autonomie. Elles coûtaient à l'achat, en 2007, 20 000 euros.
Les consommations des F-City s'établissent normalement à 130 Wh/km plutôt qu'à
200 Wh/km. De plus, les 37 % d'économies potentielles ne semblent pas surprenantes en
raison de la récupération d'énergie à la décélération. L'éco-conduite se base en effet sur
des accélérations franches et décélérations douces grâce à une meilleure anticipation.
• Freinage récupératif
Dans la chaîne de traction actuelle, le calculateur du véhicule reste la propriété du
constructeur et ne peut pas être modifié dans le cadre de cette étude. L'étude porte ainsi
sur la prédiction des zones de gain.
• Supercondensateur pour la récupération d'énergie en décélération ?
Les coûts des supercondensateurs demeurent trop élevés pour permettre leur intégration
dans les véhicules partagés.
• Choix du type de batteries motivé par un concours de circonstances ?
La technologie a été choisie en 2007. Ces batteries sont de plus garanties 8 ans.
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