Technologie des voitures électriques - Motorisations, batteries, hydrogène, interactions réseau - édition 2021 (PDF)

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À propos du livre

Auteur(s) :  Anthony Juton, Xavier Rain, Valérie Sauvant-Moynot, François Orsini, Christelle Saber, Seddik Bacha, Olivier Bethoux, Eric Labouré
Éditeur(s) : Dunod
Édition : 2021
Language : Français
Couverture : PDF
Poids du fichier : 31 Mo
Nb. de pages : 425

Les constructeurs automobiles innovent actuellement dans l'électrification des véhicules, ainsi que dans les fonctions d'autonomie partielle ou complète.

Cette évolution rapide représente une transformation majeure pour l'industrie automobile, qui doit abandonner la prédominance de la motorisation thermique au profit de la motorisation électrique et des systèmes informatiques embarqués.

Pour répondre à ces défis, une équipe de chercheurs, d'enseignants et d'ingénieurs a travaillé sur cet ouvrage, qui présente les spécificités essentielles des différents organes de motorisation d'un véhicule électrique, ainsi que les notions fondamentales de génie électrique associées, notamment les moteurs, l'électronique de puissance, les batteries, les chargeurs, les interactions avec le réseau électrique et la technologie de la pile à combustible.

L'objectif de cet ouvrage est d'accompagner cette mutation en fournissant les compétences nécessaires dans l'industrie automobile, tout en abordant les innovations futures dans ce domaine.


Au sommaire

Introduction 1
Le véhicule électriqué, une solution d’avenir pour l’automobile ? 1
Anthony Juton, Fabrice Le Berr
I.1 Véhicules électriqués : hybride, électrique, hydrogène… 2
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 2020 10
I.3 L’impact environnemental du véhicule électrique est-il réellement positif ? 12
I.3.1 Véhicules urbains 13
I.3.2 Véhicules coeur de gamme et haut de gamme 14
I.3.3 Bus 15
I.3.4 Utilitaires – Camions 16
I.4 Le véhicule électrique est-il économiquement viable ? 16
I.4.1 Véhicules urbains 16
I.4.2 Véhicules coeur de gamme et haut de gamme 17
1.4.3 Bus 18
I.4.4 Utilitaires – Camions 18
I.5 Les ressources en matières premières sont-elles sufisantes pour un développement massif des véhicules électriqués ? 19
I.5.1 Le cuivre 19
I.5.2 Le lithium 19
I.5.3 Le cobalt 20
I.5.4 Les terres rares 21
I.6 Conclusion 22
Partie 1 25
État de l’art et perspectives des motorisations pour voitures électriques 25
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 permanents 30
2.2 Moteur à induction 36
2.3 Moteur synchrone à rotor bobiné 44
2.4 Conclusion 48
3. État de l’art et perspectives des technologies de motorisations pour voitures électriques 50
3.1 Les matériaux magnétiques 50
3.1.1 Introduction 50
3.1.2 Les matériaux ferromagnétiques doux 50
3.1.3 Les matériaux ferromagnétiques durs : les aimants permanents 53
3.2 Le bobinage des machines à courant alternatif 54
3.2.1 Introduction 54
3.2.2 Bobinage distribué dans des encoches 54
3.2.3 Bobinages dentaires 58
3.3 Techniques de refroidissement des machines 60
3.3.1 Introduction 60
3.3.2 Refroidissement par air des machines ouvertes 61
3.3.3 Refroidissement par eau des machines fermées 65
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 fluides 68
3.4 Typologies non conventionnelles de machines : les machines synchrones à double excitation et les machines à flux axial 70
3.4.1 Les machines synchrones à double excitation 70
3.4.2 Les machines à flux axial 72
3.5 Conclusion 72
4 L’électronique de puissance et ses perspectives 74
4.1 Précisions sur l’onduleur de tension 74
4.1.1 Fonction 74
4.1.2 Structures usuelles et grandeurs déterminantes 77
4.1.3 Décomposition du coût 78
4.2 Limites des solutions actuelles pour l’intégration 80
4.2.1 Réduction des connectiques et perturbations électromagnétiques 81
4.2.2 Vieillissement des isolants et des roulements 82
4.2.3 Niveaux de tension employés 84
4.2.4 Perspectives en termes de fractionnement 85
4.3 Semi-conducteurs à large bande interdite 85
4.3.1 Comparaison des propriétés physiques des différents semi-conducteurs d’électronique de puissance 86
4.3.2 Axes de recherche pour l’intégration des composants « grand gap » au sein des machines 89
4.4 Conclusion 90
Partie 2 93
État de l’art et perspectives des batteries de voitures électriques 93
Valérie Sauvant-Moynot, François Orsini, Anthony Juton
5 Principe et caractéristiques d’une cellule Li-ion 94
5.1 Principe général des batteries 94
5.2 Énergie et puissance 97
5.3 Historique des batteries au lithium 97
5.4 Principe de fonctionnement du système Li-ion 98
5.5 Choix des électrodes 100
5.6 Le séparateur et l’électrolyte 102
6 Fabrication d’une batterie Li-ion 104
6.1 Fabrication des électrodes 104
6.2 Assemblage de la cellule 105
6.3 Finition/Formation 106
6.4 Assemblage d’un pack batterie 107
6.5 Compromis puissance/énergie 107
6.6 BMS 108
6.7 Recyclage et émissions de CO2 109
7 Caractéristiques actuelles des batteries 111
7.1 Performances 111
7.2 Vieillissement/Durée de vie 112
7.3 Sécurité 113
7.4 Recharge 114
7.5 Coût 116
7.6 Les fabricants de batteries (cellules) 117
8 Innovations et perspectives 119
8.1 Les tendances technologiques futures 119
8.2 Perspectives autour des batteries Li-ion 120
8.3 Les batteries Li tout solide 122
8.3.1 Matériaux 122
8.3.2 Mise en oeuvre 124
8.4 Les batteries Li-S 126
8.5 Les batteries Li-air 127
Conclusion 130
Partie 3 131
État de l’art et perspectives des chargeurs de voitures électriques 131
Christelle Saber, Éric Labouré, Anthony Juton, Mimoun Asker,
Larbi Bendani, Damien-Pierre Sainou, Najib Rouhana
9 Infrastructure et bornes de recharge 133
9.1 Présentation d’une chaîne de recharge conductive 133
9.2 Infrastructures de recharge 137
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 ã 350kW) 140
9.2.3 Station de recharge rapide 142
9.3 Les connecteurs et communications véhicule− chargeur 145
9.3.1 CCS Combo 2 146
9.3.2 CHAdeMO 149
9.3.3 Autres formats 150
10 État de l’art des chargeurs de batteries conductifs pour voitures électriques 153
10.1 Types de chargeurs 154
10.2 Compatibilité électromagnétique et sécurité des chargeurs 157
10.3 Exemples de chargeurs de batteries embarqués 162
10.3.1 Nissan Leaf : chargeur embarqué autonome et isolé du réseau 162
10.3.2 Renault ZOE: chargeur embarqué, non réversible, intégré à la chaîne de traction et non isolé du réseau 164
10.3.3 SOFRACI: chargeur embarqué, réversible, intégré à la chaîne de traction et non isolé du réseau 164
10.4 Les bornes de charge rapide DC haute puissance 167
10.4.1 Topologie du chargeur 167
10.4.2 Utilisation d’une électronique de puissance modulaire 170
10.4.3 Câbles de charge refroidis par liquide 171
10.4.4 Bus continu ou bus alternatif 172
11 Perspectives et technologies futures 174
11.1 Technologies émergentes 174
11.1.1 Semi-conducteurs Grand Gap 174
11.1.2 Charge des batteries en 800 V 175
11.1.3 Meilleure prise en compte des perturbations CEM 176
11.2 Perspectives d’évolution des chargeurs 176
11.2.1 ChaoJi, évolution des standards CHAdeMO et GB/T 176
11.2.2 La charge automatique 177
11.2.3 Charge sans contact 178
11.2.4 Plug and Charge 178
11.2.5 V2G/communication avec l’infrastructure 179
12 Recharge sans contact des véhicules électriques 180
12.1 Quelques exemples de réalisation 181
12.1.1 Recharge statique 181
12.1.2 Recharge dynamique 181
12.2 Normes relatives aux infrastructures de recharge 183
12.3 Principe physique du transfert d’énergie par induction 185
12.3.1 Cas d’une bobine unique 185
12.3.2 Cas de plusieurs bobines en interaction magnétique 186
12.4 Principe physique du transfert d’énergie par induction 186
12.5 Systèmes de transfert d’énergie électrique par induction 188
12.5.1 Architecture globale d’un système de transfert d’énergie 188
12.5.2 Structure électrique du dispositif de recharge et formes d’onde caractéristiques 189
12.5.3 Mise en équations et impédances 190
12.5.4 Réalisation du coupleur 191
12.5.5 Facteur de dimensionnement de l’électronique de puissance et pertes dans les convertisseurs 191
12.5.6 Eficacité énergétique du transfert d’énergie 192
12.5.7 Caractéristiques globales d’un système de transmission d’énergie par induction 193
12.6 Conclusion 196
Partie 4 197
Véhicule électrique et réseau électrique 197
Seddik Bacha, Régis Le Drezen, Cédric Léonard, Damien-Pierre Sainou
13 Une consommation électrique nouvelle 198
13.1 Préambule 198
13.2 Un sujet nouveau et multi-acteurs 199
13.3 Description du contenu 200
13.4 Définitions 200
13.4.1 Intégration intelligente de la recharge à une maison/un bâtiment : V2H/B 200
13.4.2 Fonctionnement en groupe électrogène temporaire : V2-Home off grid 201
13.4.3 Alimentation de consommateur nomade, fonctionnement en groupe électrogène autonome: V2-Load 201
13.4.4 Recharge entre véhicule : V2-Vehicle 201
14 Enjeux pour le système électrique 202
14.1 Introduction 202
14.2 Enjeux pour l’équilibre entre l’offre et la demande d’électricité 204
14.2.1 La consommation d’électricité des véhicules électriques 204
14.2.2 Les appels de puissance au niveau du système électrique 206
14.2.3 Les enjeux du pilotage de la recharge pour l’intégration des véhicules électriques et les énergies renouvelables 207
14.2.4 Les enjeux sur la dynamique du système électrique et l’équilibrage court terme 209
14.3 Enjeux pour le réseau de transport 210
14.4 Intégration de la mobilité électrique
dans le réseau de distribution 211
14.4.1 Les points de charge lorsqu’ils s’insèrent dans une installation existante 212
14.4.2 Les points de charge qui nécessitent la création d’une nouvelle connexion au réseau public de distribution 215
14.4.3 Les points de charge pour les longues distances 217
14.4.4 Le développement de l’infrastructure de recharge est intégré au réseau électrique à l’échelle locale 218
14.4.5 L’impact financier de l’intégration de la mobilité électrique 220
14.5 Réseaux insulaires 221
14.6 Un écosystème innovant et en voie d’industrialisation 222
15 Les opportunités et les mises en oeuvre 223
15.1 Introduction 223
15.2 La technologie VER est-elle mature ? 224
15.3 Accompagnement de l’intégration du renouvelable à large échelle 225
15.3.1 L’échelle d’un site, l’autoconsommation 225
15.3.2 À l’échelle locale 226
15.3.3 À l’échelle du système électrique 227
15.4 Fourniture de services au réseau 227
15.4.1 Une vue générale 227
15.4.2 Au niveau national – Réseau de transport 228
15.4.3 Au niveau local – Réseau de distribution 229
15.4.4 Au niveau local – Autres fonctionnalités 230
15.5 Mise en oeuvre des solutions 231
15.5.1 Rappel des diverses solutions à mettre en oeuvre 231
15.5.2 Quels rôles pour les acteurs? 232
15.5.3 Les différents acteurs nécessaires à la réalisation d’un service réseau coordonné 232
15.5.4 Quelques aspects normatifs 234
15.6 Conclusion 236
Partie 5 237
État de l’art et perspectives des véhicules routiers fondés sur la pile à combustible 237
Olivier Béthoux
16 Principe et éléments du système pile à combustible 241
16.1 La pile à combustible pour l’application traction 241
16.1.1 Cahier des charges 241
16.1.2. Principe de fonctionnement et implications 242
16.2 Constituants de la pile à combustible 248
16.2.1 La membrane 249
16.2.2 La couche active de l’électrode 250
16.2.3 La couche de diffusion de l’électrode 252
16.2.4 Plaques bipolaires 252
16.3 Système pile à combustible 254
16.3.1 La ligne d’air 255
16.3.2 La ligne de dihydrogène 256
16.3.3 La ligne électrique 260
16.3.4 La ligne thermique 265
16.3.5 Rendement système 266
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 cours 268
17.1.2 Véhicules hydrogène : niveau de maturité des briques technologiques et tendances associées 272
17.2. Développement d’une infrastructure 277
17.2.1 Production de dihydrogène 278
17.2.2 Stockage de dihydrogène 284
17.2.3 Transport du dihydrogène 285
17.2.4 Distribution au plus près du besoin 287
17.2.5 Sécurité 287
Conclusion et perspectives : réflexion globale sur la place du dihydrogène dans la mobilité électrique 290
Annexes 293
Annexe 1 – Les machines électriques pour voitures électriques 294
Xavier Rain
A1.1 Les lois fondamentales de l’électromagnétisme 294
A1.1.1 Notion de champ – champ électrique 294
A1.1.2 Conduction – Résistance électrique – Courant électrique – Loi d’Ohm 296
A1.1.3 Champ magnétique – Induction magnétique 298
A1.1.4 Matériaux ferromagnétiques – Notion de saturation 300
A1.1.5 Phénomènes d’induction – Loi de Lenz-Faraday 302
A1.2 Principe général de la création du couple et classification des différentes machines électriques 302
A1.2.1 Introduction 302
A1.2.2 Mécanismes de création du couple électromagnétique 303
A1.2.3 Classification des machines électriques 305
A1.3 Création du champ tournant statorique dans les machines à courant alternatif 306
A1.3.1 Introduction 306
A1.3.2 Principe de création du champ tournant statorique 307
A1.4 Les machines synchrones non excitées 315
A1.4.1 Introduction 315
A1.4.2 Principe de fonctionnement de la machine synchrone à réluctance variable 315
A1.4.3 Modélisationen régime permanent sinusoïdal de la machine synchrone à réluctance variable 318
A1.4.4 Stratégies de commande et tracé de caractéristiques des machines synchrones à réluctance variable 320
A1.5 Les machines synchrones excitées 322
A1.5.1 Introduction 322
A1.5.2 Principe de fonctionnement des machines synchrones excitées à pôles lisses 322
A1.5.3 Modélisation des machines synchrones excitées à pôles lisses en régime permanent sinusoïdal 324
A1.5.4 Stratégies de commande et tracé de caractéristiques des machines synchrones excitées à pôles lisses 327
A1.5.5 Les machines excitées pour la traction 330
A1.6 Les machines asynchrones 332
A1.6.1 Introduction 332
A1.6.2 Principe de fonctionnement de la machine asynchrone : action d’un champ tournant sur un circuit électrique fermé 333
A1.6.3 Modélisation en régime permanent sinusoïdal 336
A1.6.4 Stratégies de commande de la machine asynchrone et tracés de caractéristiques 340
A1.7 Introduction à la commande des machines électriques dédiées à la traction 343
Annexe 2 – Introduction à l’électronique de puissance 347
Éric Labouré
A2.1 Principes fondamentaux de la conversion électronique de l’énergie 348
A2.1.1 Moduler l’énergie 348
A2.1.2 La contrainte du rendement énergétique 349
A2.1.3 La modulation en électronique de puissance 350
A2.1.4 Principe général d’un convertisseur électronique de puissance 350
A2.1.5 Cas particulier de la conversion dc-dc 352
A2.1.6 Structure de base de l’électronique de puissance : la cellule de commutation 352
A2.1.7 Vers un fonctionnement bipolaire 359
A2.2 Les pertes dans les convertisseurs électroniques de puissance 367
A2.2.1 Les pertes par conduction 367
A2.2.2 Les pertes par commutation 368
A2.2.3 Conséquence sur la zone de fonctionnement courant/ fréquence accessible à un composant 369
A2.3 Les convertisseurs électronique de puissance dans le véhicule électrique 371
A2.3.1 Onduleur de traction et onduleur du compresseur de la pompe à chaleur 371
A2.3.2 Convertisseur dc-dc réversible pour l’adaptation du niveau de tension batterie 372
A2.3.3 Chargeur embarqué 372
A2.3.4 Convertisseur dc-dc du réseau haute tension vers le réseau basse tension du véhicule 374
Bibliographie 375
Index 391

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