Note de synthèse :
Récentes innovations dans le domaine du véhicule électrique

Date : Janvier 1998

Auteurs :
Marcel COTE cotem@secor.ca

Claude ROCHET padimel@nospam.com@wanadoo.fr

OBJET :

Technologie de pointe des accumulateurs à électrolytes polymères pour véhicules électriques (ACEP) et nouveau concept de véhicule hybride série (GROUPE DE TRACTION COUTURE)

 

Résumé :

 

Cette note présente les recherches actuelles en matières d’accumulateurs pour véhicules électriques (APEC) et de développement d’un nouveau concept véhicule hybride série (GROUPE DE TRACTION COUTURE, GTC). Ces recherches ont été développées sous l’impulsion d’Hydro-Québec. Elles ont atteint le stade de développement opérationnel pour la technologie APEC, et ont cerné les problèmes encore à résoudre pour l’architecture GTC ainsi que les hypothèses possibles de concepts véhicules.

 

DIMENSION STRATÉGIQUE DE LA RECHERCHE

          Les recherches se situent dans une logique d’innovation de rupture, c’est à dire de reconception des lois de performance du véhicule et de son architecture. Le document " Supercars, The Coming Lignt-Vehicle Revolution " (1993) fait le point sur les possibilités d’atteindre de manière incrémentale les objectifs de réduction de la consommation et d’émissions polluantes par amélioration des caractéristiques aérodynamiques.

          Rappelons la problématique de l’innovation (Figure 1) : Une innovation réussie est la rencontre entre une demande (ligne pointillée) et une offre (ligne pleine). L’innovation incrémentale améliore les performances d’un concept à architecture constante. De sorte que l’on atteint une zone de rentabilité décroissante de l’investissement marginal qui ne représente plus une valeur d’usage significative pour le client alors que les coûts continuent à croître. L’innovation de rupture ne part pas de la demande client explicite, mais d’une analyse plus large des besoins qui permet de reconcevoir le concept de l’offre lui-même, afin d’optimiser la contribution des nouvelles technologies.

           

Dans le cas du véhicule électrique, l’électrification de concepts véhicules thermiques est une innovation incrémentale avec les limites du rapport coût : valeur d’usage que l’on connaît.

 

Dans l’état actuel du problème, le point de rencontre entre possibilités des nouvelles technologies et offre n’a pas abouti à un concept véhicule capable d’intéresser le marché de masse, notamment en raison du problème de l’énergie et de la puissance délivrée par les batteries.

 

DIMENSION TECHNIQUE

 

Le problème majeur de la traction électrique est la faible densité énergétique des équipements d’entreposage d’électricité. Un kilo d’essence incorpore 12 kWh d’énergie, alors qu’un accumulateur conventionnel au plomb pesant 1 kilo n’emmagasine que 30 Wh, soit 400 fois moins d’énergie. Les accumulateurs plus avancés visent une densité de 200 Wh/k, soit un ratio de 40:1 par rapport à l’essence. La plus grande efficacité du moteur électrique dans la production d’énergie mécanique (un avantage effectif variant entre 4 à 8 fois) ne peut compenser le désavantage de poids de la réserve d’énergie. En conséquence, la voiture électrique doit transporter une masse d’accumulateur, (typiquement entre 3200 et 400 kg). ce qui crée un problème de poids qui affecte son rayon d’autonomie.

Un autre désavantage de la filière électrique, qui est toutefois mineure par rapport à la densité énergétique, est le faible couple du moteur électrique conventionnel. Ceci se traduit par une accélération médiocre, comparée au MCI, un problème intensifié par le poids des accumulateurs. Couplé avec le problème de poids, ceci donne un véhicule poche, à faible rayon d’autonomie.

L’industrie a voulu relever ce défi en s’attaquant d’abord à la densité énergétique des batteries. Toutefois, l’objectif à moyen terme n’est que de 200Wh/k, ce qui permettra des rayons d’autonomie entre 200 km à 250 km, insuffisant pour amener une pénétration significative de la voiture électrique.

L’approche hybride vise à briser ce carcan. Un groupe de traction hybride incorpore un moteur électrique, un accumulateur et un MCI. Dans un hybride parallèle, le MCI vient donner un coup de pouce au moteur électrique à haute vitesse et lorsqu’il s’agit d’accélérer. En ville, le moteur électrique, s’alimentant à l’accumulateur, est suffisant.

  • Les recherches présentées traitent donc0eD0ea.UAJ7t+B"EWT*i/W\>mGabq"LjY>vf=oMeMpart l’amélioration de la puissance délivrée et du strockage de l’énergie dans les batteries, par le programme ACEP,
  • d’autre part, une nouvelle architecture du véhicule conforme aux exigences du marché de masse, nord-américain notamment, qui permet à un groupe motopropulseur hybride d’atteindre la même performance qu’un véhicule thermique actuel tout en satisfaisant aux contraintes de réduction de la consommation et des émissions polluantes.
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    LE PROGRAMME ACEP

     

    Il a pour but de parvenir à atteindre les objectifs à long terme définis par le département de l’énergie aux États-Unis, ainsi que Ford, GM et Chrysler (US Advanced Battery Consortium, USABC). Ces objectifs permettront de répondre aux attentes de performance du marché de masse, qui permettra à la propulsion électrique de rivaliser avec la propulasion thermique en matière de performance et de coûts. Ce programme a été entrepris par Hydro-Québec allié à 3M pour sa compétence dans le domaine des films polymères et du pilotage des processus d’innovation, sur un financement de l’USABC.

    Le dépliant " Electric &hybrid vehicle technology’96 " présente les enjeux et les résultats atteints.

    La technologie ACEP rencontre déjà les caractéristiques de base recherchées pour un véhicule électrique compétitif.

     

    La technologie ACEP utilise les propriétés du lithium qui en font l’anode la plus intéressante. Le programme s’est penché sur les difficultés rencontrées par l’utilisation du ltihium métallique avec des electrolytes liquides qui posait de sérieux problèmes de sécurité et de rechargeabilité.

    Le système chimique de base de la technologie ACEP (Figure 2) comprend un générateur électrochimique composé de deux électrodes réversibles de lithium. Les deux électrodes sont séparées par une fine membrane de polymère qui joue le rôle à la fois d’électrolyte et se séparateur entre les deux électrodes. l’anode est faite d’un mince feuillard de lithium métallique qui agit à la fois comme source de lithium et comme collecteur de courant. La cathode est un matériau issu de l’ajout d’un composé à intercalation réversible d’oxyde de vanadium (VOx) à un mélange d’électrolyte polymère et de carbone, lequel est supporté par une feuille métallique collectrice de courant. La température nécessaire pour satisfaire aux besoins d’accélération d’un V.E ( 200 W/Kg pendant 30 secs.) se situe entre 60 et 80°C, soit une température de fonctionnement correspondant à celle de moteurs thermiques actuels.

     

  • Points forts de la technologie ACEP :
    1. Les propriétés électriques sont conservées quelle que soit la configuration des cellules.
    2. Système intégré de gestion thermique qui permet de maintenir la température de fonctionnement pendant les périodes d’arrêt.
    3. La gestion des tensions entre les cellules est assurée par un système central de contrôle.
  • En 1998, les premiers prototypes sur véhicules seront entrepris.

     

    LE PROGRAMME COUTURE

     

    Le groupe de traction Couture vise à obtenir les mêmes performances que l’automobile conventionnelle, en introduisant deux innovations : l’hybride série et le moteur-roue

     

    L’hybride série

     

    Un hybride série est formé de trois éléments : une génératrice couplée à un MCI, un accumulateur et un moteur électrique. La filière hybride vise à exploiter les forces de chaque élément. Le moteur électrique génère l’énergie mécanique de façon beaucoup plus efficace que le MCI, soit à des taux de 90% et plus, contre un taux maximal de 34% pour le MCI. De plus, à l’arrêt, le moteur électrique ne consomme aucune énergie, alors que le MCI doit continuer de fonctionner.

    Dans la filière hybride, la majeure partie de l’énergie transportée par le véhicule y est entreposée sous forme d’essence. Le véhicule hybride a un accumulateur, mais, seulement pour entreposer l’énergie suffisante pour un voyage de 50 km en milieu urbain, à basse vitesse, soit environ 10 kWh. Typiquement, un accumulateur de 100 à 150 kg fera l’affaire. Tout supplément d’énergie est entreposé efficacement sous forme d’essence, offrant la même flexibilité que les véhicules conventionnels quant au rayon d’action.

    La filière hybride série n’est pas efficace lorsqu’elle opère en mode MCI, sur la grande route. La conversion essence-électricité-mécanique n’est pas significativement plus efficace que celle du MCI conventionnel sur la grande route. (MCI-génératrice, 30% ; accumulateur : 75% ; moteur électrique : 90% ; total : 20%.) Le groupe de traction hybride série est aussi plus complexe, avec un MCI et un moteur électrique. Le poids se situe entre celui d’un MCI et celui d’une groupe de traction tout électrique.

    Plusieurs experts croient que la filière hybride série finira par s’imposer, du moins par rapport à la filière tout électrique, jugeant que la technologie des accumulateurs n’atteindra jamais une densité énergétique suffisante pour accommoder les besoins de la voiture contemporaine, qui est fondamentalement polyvalente. Entre autres, Toyota, Ford, Volvo et Chrysler ont des programmes avancés qui misent sur cette filière. Implicitement, ces constructeurs expriment leur scepticisme devant le concept de la voiture urbaine (le modèle la Rochelle), une voiture conçue uniquement pour circulation urbaine, et pour qui il n’y aurait pas de marchés significatifs.

     

    Le groupe de traction Couture.

     

    Vers le milieu des années quatre-vingt, un physicien nucléaire d’Hydro-Québec, Pierre Couture, a mis sur pied une petite équipe de recherche informelle pour développer, à fonds perdus, un groupe de traction "écologique". Cette initiative a donné naissance au projet de moteur roue d’Hydro-Québec, qui a été dévoilé publiquement en 1995. Quelques prototypes complets de groupe de traction sont actuellement à l’essai. Le Dr Couture a quitté le projet en 1996, ce qui l’a considérablement affaiblie l’équipe de recherche en le privant de son souffle créateur. Mais l’essentiel de la R & D est fait et l’efficacité du moteur roue et groupe de traction a été bien calibré

     

    Le concept du groupe de traction Couture est le suivant :

     

    • Deux ou quatre moteur-roues assurent la traction. Le moteur roue mis au point par le Dr Couture constitue une innovation électrique importante, et affiche entre autres un couple très élevé (>1500 N-m) à basse vitesse, ce qui lui donne au moteur des capacités d’accélération supérieures à un groupe de traction conventionnel.
    •  Un accumulateur offrant 10 kWh d’énergie et 150 kW de puissance 
    • Une génératrice couplée à un MCI d’une puissance de 25 kW.

      Un tel groupe de traction, monté sur une voiture de 1600 kg (taille moyenne), aurait des performances similaires à celle d’une voiture conventionnelle mais serait deux à trois fois plus efficace. En mode urbain, la voiture utilise principalement l’énergie de ses accumulateurs. En mode grande route, elle a un rayon illimité, quoique sa vitesse de croisière est limitée entre 120 et 140 kmh, par la puissance de la génératrice.

      L’élément clé du groupe de traction est le moteur roue (Figure 3), dont la conception a bénéficié des progrès récents dans les semi-conducteurs de puissance et dans le design assisté par ordinateur.

    Le stator, la partie fixe du moteur, est au centre du moteur roue, alors que le rotor est en périphérie, l’inverse d’un moteur électrique conventionnel. Sur le stator sont fixées des bobines générant des champs magnétique modulés, sous l’impulsion d’un courant modulé par un convertisseur situé au centre du stator. Ces champs magnétiques interagissent avec des champs beaucoup plus faibles générés par des aimants permanents collés sur la paroi du rotor, ce qui fait tourner le rotor. Le convertisseur de puissance utilisé est une combinaison de semi-conducteurs MOSSFET-IGBT. Le moteur-roue du Dr Couture affiche un couple de 1500 N-m, ce qui est exceptionnellement élevé. Une autre innovation permet de connaître en tout temps la vitesse et la position du moteur. En fait, l’électronique de puissance permet aussi un contrôle très raffiné de la vitesse du moteur, et grâce à la force et à la nervosité du moteur, cette vitesse peut être variée en temps réel avec une grande précision. Utilisant une fréquence de contrôle est de 20Mh, les paramètres du moteurs sont renouvelés à tous les 50 millisecondes.

    Le moteur roue est parfaitement bi-directionnel, étant aussi bien un accélérateur qu’un frein. Avec un tel couple, le groupe de traction du Dr Couture a suffisamment de puissance pour accélérer ou freiner une voiture de 1500 kg à la limite du pouvoir d’adhérence des pneus attachés sur le rotor. Dans la mesure où l’accumulateur est capable d’accepter le flux soudain d’énergie produit lors d’un freinage, l’efficacité du groupe de traction est augmentée significativement en milieu urbain.

     

      Les défis d’un groupe de traction hybride série avec moteur-roue.

       

      L’invention du Dr Couture a rencontré un profond scepticisme chez les constructeurs. La résistance s’explique en partie par la nouveauté du concept. Un couple de 1500 N-m par roue motrice est une réalité incongrue pour un constructeur, qui ne penserait jamais à mettre l’accélération d’une Ferrari dans la voiture de M. Tout-le-monde, et ne saurait d’ailleurs quoi en faire. Mais des problèmes réels, principalement d’ordre mécanique, apparaissent aussitôt.

       

      Trois défis majeurs sont à surmonter pour que le groupe de traction Couture puisse révolutionner la conception de l’automobile.

     

      1- La résistance mécanique du moteur-roue.

       

      L’entrefer, l’espace entre les aimants du rotor et les bobines du stator, n’est que de 2 mm. La combinaison d’une distorsion d’origine mécanique et de distorsion thermique pourrait amener les deux à se toucher. Le moteur pourrait geler s’il y avait contact, provoquant un freinage extrêmement dangereux pour la voiture. Le moteur roue est-il assez rigide pour éviter de tels accidents ? Les chocs sur le moteur roue sont absorbés par le pneu à air, par la suspension et par le rotor. Ce dernier est la partie périphérique de l’enveloppe du moteur, et est attaché aux parois internes et externes, deux soucoupes fixées au centre au moyeu du stator, par des roulements à bille. Il est évident que l’on peut concevoir un rotor qui ne distordra pas de plus de 1 mm sous un choc extrême à la roue, laissant la suspension et le pneu absorber le choc. Mais quels coûts et quel poids aura le stator ? Hydro-Québec n’a pas d’expertise en mécanique des matériaux pour explorer à fond cette question.

       

      2- La masse suspendue.

       

      L’art actuel exige que la masse suspendue d’une voiture (ce qui est sous la suspension) ne dépasse pas 15% du poids de la voiture. Ceci limite le poids des quatre moteurs- roue à 150 kg pour une petite voiture de 1000 kg et à 220 kg pour une grosse voiture de 1500 kg. À moins d’utiliser des matériaux légers, mais très dispendieux, un moteur roue est lourd. Les prototypes dépassaient 75 kg. Une solution est de limiter le nombre de moteurs-roue à deux, et les placer sur le train arrière, sacrifiant peu sur la puissance, mais beaucoup plus sur le contrôle exceptionnel qu’offre 4 moteurs roue. Il va sans dire qu’une réflexion sur la distribution du poids entre l’avant et l’arrière d’une voiture et les caractéristiques des suspensions des voitures, deux questions dans le champs d’expertise des constructeurs qui pourraient aider à résoudre ce problème.

      Plusieurs équipes explorent le concept du moteur "près de la roue", en couple direct. Un tel design règle les problèmes de masse suspendue et de risque de distorsion mécanique, mais soulève d’autres problèmes. On peut présumer qu’on trouverait une solution pour permettre aux attaches reliant en direct le moteur et la roue d’absorber les forces importantes d’accélération et de freinage. Mais il faudrait revoir le design de l’espace près des roues, pour accueillir la carrure importante du moteur roue. Le diamètre de 40 cm et la largeur de 15 cm sont le prix à payer pour dégager le couple élevé. Un espace d’un diamètre vertical d’au moins 55 cm serait nécessaire près de chaque roue. (Inverser le rotor et le stator exigerait encore plus d’espace. Par ailleurs, réduire le diamètre, même en y ajoutant un multiplicateur de vitesse, implique une perte importante de couple, ce qui attaque la performance du moteur qui découle de la combinaison de couples élevés et de contrôle précis.)

       

      3- La puissance de la génératrice

       

      Le concept original du Dr Couture envisageait un moteur de 25 kW pour alimenter la génératrice. Cette puissance est dictée d’une part par les besoins à haute vitesse, alors que la génératrice est couplée directement aux moteurs roues, et que l’efficacité du groupe de traction est supérieure à 90%, et d’autre part, par une volonté de limiter le poids du véhicule. Une puissance de 20 kW est suffisante pour une voiture de 1600 kg roule à 120 kmh. Mais il s’agit presque que d’une vitesse croisière limite.

      L’efficacité énergétique d’un hybride série avec moteur roue est relativement constante, quelques soit la vitesse du véhicule. Le moteur alimentant la génératrice tourne à régime constant, ce qui permet d’optimiser le style pour obtenir une efficacité élevée (> 30%), et des niveaux très faibles d’émissions de gaz nocifs et de bruit.

      L’efficacité de la génératrice (conversion d’énergie mécanique en énergie électrique) est de l’ordre de 95%. Le moteur-roue, qui fait la conversion inverse, mais sur une plage variant de basse vitesse à plus de 2000 rpm, a une efficacité supérieure à 90% à des vitesses supérieures à 40 kmh.

      En milieu urbain, deux autres facteurs influencent l’efficacité, l’accumulateur et le freinage. En situation de charge ou de décharge, un accumulateur perd toujours de l’énergie sous forme de chaleur. L’efficacité variera en fonction de la puissance. C’est pourquoi l’accumulateur dans une configuration hybride est choisi, non pas en fonction de sa capacité d’entreposage d’énergie, mais plutôt en fonction de sa puissance. Ce qui compte, c’est sa capacité à débiter de l’énergie ou à recevoir de l’énergie. Dans le groupe de traction du Dr Couture, la puissance recherchée est de l’ordre de 80 à 100 kW.

      En mode urbain, un groupe de traction conventionnel est très peu efficace, généralement inférieur à 10%. En somme, 90 % de l’énergie y est perdue en chaleur. C’est en milieu urbain que le moteur électrique est très efficace. En milieu urbain, un groupe de traction hybride s’apparente à un groupe tout électrique. Les simulations de l’efficacité du groupe de traction Couture sur le tracé urbain normalisé du gouvernement américain, en situe l’efficacité à plus de 25%, en présumant que l’électricité vient d’une génératrice branchée à un MCI. Par rapport au moteur conventionnel, les principaux gains se situent dans l’inefficacité du moteur conventionnel dans le mode stop-and-go qui caractérise la conduite en milieu urbain, dans l’élimination de la transmission et du différentiel, un gain de l’ordre de 20%, et de l’énergie récupérée lors du freinage.

      L’écart, majeur en milieu urbain, est moins grand sur la grande route, alors que le moteur conventionnel est beaucoup mieux utilisé et qu’il y a moins de pertes de transmission et de différentiel. Sur la grande route, un groupe de traction du type Couture a une efficacité de l’ordre de 26%, lorsque alimenté directement par la génératrice, alors qu’un groupe de traction conventionnel a une efficacité qui peut dépasser les 22%. (La perte dans la transmission de l’énergie mécanique, via la transmission et le différentiel, et l’efficacité moins élevée du moteur à combustion, dont la plage d’opération va de 1000 à 5 000 rpm, expliquent en grande partie ces écarts.)

      Les gains du groupe de traction hybride sont donc beaucoup moins prononcés pour la grande route.

      Mais de plus, le groupe de traction hybride fait face à une autre limitation, celle de la puissance de sa génératrice. En milieu urbain, on pourrait envisager une génératrice de petite puissance, 5 kWh ou 10 kWh. Sur la grande route, 20 kW permettront de rouler à 120 kmh, si il n’y a pas de vent. Mais ajoutez deux passagers avec des bagages, et un vent de face, et la vitesse pourrait diminuer substantiellement. En fait, la puissance requise augmente rapidement avec la vitesse, au-delà de 120 kmh. Le moteur conventionnel est dimensionné pour attaquer des vitesses de 140 kmh et plus. La g&ea0eD0ea.- ape"EWT*i/W\>mGabq"LjY>vf=oMeMute;quiper la voiture d’un moteur presqu’ aussi gros que pour un groupe de traction traditionnel.

      En somme, à haute vitesse, le groupe de traction hybride perd son avantage, et sous certaines conditions est même désavantagé. Beaucoup de voitures ne vise pas dépasser le 140 kmh : ce sont ces voitures que le groupe de traction hybride favorisera.

       

      Recherche future

       

      Le groupe de traction hybride série avec moteurs roue affiche d’importants avantages, en milieu urbain d’une part, et en usage mixte route-ville, dans la mesure ou l’on respecte les arbitrages inhérents à la formule. Jusqu’à 100 kmh, les avantages en termes de conduite et d’efficacité sont indéniables. À grande vitesse, ces avantages s’atténuent rapidement. Mais c’est suffisant pour rencontrer les besoins de la plupart des grands segments de marché.

      Il reste des problèmes à régler, et principalement deux problèmes qui relèvent de la mécanique : résistance au choc et transmission des chocs et la distribution du poids suspendu au véhicule. Le constructeur qui les surmontera pourra décrocher une bonne longueur d’avance dans la course à la voiture électrique.

      Les deux autres problèmes fréquemment mentionnés, les coûts et le poids, peuvent se résoudre. Il s’agit de problèmes d’échelle de production. Un moteur roue est beaucoup moins complexe qu’un moteur à combustion interne à plage variable de puissance. Il m’apparaît évident qu’à haute échelle de production, un groupe de traction hybride série avec moteur roue saura rencontrer les critères de compétitivité sur les coûts et le poids total.

      Parce qu’il place la génération de l’énergie mécanique au ras du sol, à quelques centimètres du point où le pneu touche le sol, le moteur roue évite toutes les pertes de conversion et de transmission d’énergie mécanique, et affiche une haute efficacité. Parce qu’il repose sur des semi-conducteurs de puissance et du courant modulé, le moteur roue a une conduite beaucoup plus nerveuse qu’un groupe de traction conventionnel. Sur le plan de l’efficacité, le groupe de traction hybride série avec moteur roue a tous les avantages du moteur électrique, et toute la sécurité de l’approvisionnement énergétique avec essence. Il ne reste qu’à régler des défis mécaniques.

       

       

      Marcel COTE

      Claude ROCHET