Points forts de la technologie ACEP :
- Les propriétés électriques sont conservées quelle que soit la
configuration des cellules.
- Système intégré de gestion thermique qui permet de maintenir la
température de fonctionnement pendant les périodes d’arrêt.
- 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.
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&ea 0eD¿¬ 0eaµ ªª €› ÿ ÿ¤€.ùþÀÿô£ ý- ape"EÖìWTžÑõ*iù/WÅä®\>mG§àabíøqááÆ"LjY÷>vf=§oMªeMäžute;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
