Atelier Microtechniques & Innovation - Minnovarc
Récupération d’énergieapplications transport
12 avril 2023 – David Bouquain UTBM
Présentation UTBM
2 795 étudiants dont 2 526 étudiants en formation d’ingénieurs à la rentrée 2012
8 spécialités d’ingénieurs dont 3 par apprentissage
4 Masters 4 laboratoires de recherche 63 000 m² de locaux 3 sites
Chiffres clés 2012
Une recherche orientée transports terrestres, énergie et
société
FC LAB : Fédération CNRS qui regroupe les compétences et les moyens sur les systèmes pile à combustible.
IRTES : Institut de Recherche sur les Transports, l’Energie et la Société - 4 équipeso SeT : Laboratoire Systèmes et Transportso LERMPS : Laboratoire d’Etudes et de Recherches sur les Matériaux, les Procédés et les
Surfaces.o M3M : Laboratoire Mécatronique – Méthodes, Modèles et Métiers.o RECITS : Laboratoire de Recherche et Etudes sur le Changement Industriel, Technologique et
Sociétal
LMC : Laboratoire Métallurgies et Cultures
Femto-ST : Unité mixte de recherche CNRS commune aux 3 établissements d’enseignement supérieur franc-comtois (UTBM – UFC – ENSMM)
Le potentiel de recherche de l’UTBM – 242 EC
Véhicules électriques et hybrideso Stockage d'énergie embarquéo Gestion de l'énergieo Compatibilité électromagnétique
Smart Grids – Réseaux Électriques Intelligentso Gestion intelligente de l'énergieo Architectures de contrôleo Intégration de nouveaux besoins
Systèmes Pile à Combustible o Cœur de pile o Hybridation et gestion d'énergie o Gestion de l'air
Laboratoire IRTES - SeT – équipe CCE
Systèmes de récupération d’énergie applications transport
Pourquoi récupérer l’énergie ?o Faire la chasse au gaspillage
• Toute l’énergie cinétique des véhicules conventionnels est dissipée en chaleur au freinage !
o Augmentation du coût des énergies conventionnelles • Raréfaction des énergies primaires• Augmentation des populations
o Impacts environnementaux
Comment ?o Optimiser le rendement global des systèmes énergétiques
afin de valoriser au mieux la source d’énergie initiale• Cogénération (ex : turbines à gaz)• Hybridation (ex : automobile)
Systèmes de récupération d’énergie
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Systèmes de récupération d’énergie - transport Plusieurs technologies possibles sur des systèmes
électriques et hybrides pour des applications transport Récupération de l’énergie cinétique du véhicule, 2 solutions
o Choisir une source d’énergie unique mais réversible : véhicule électrique, traction ferroviaire par caténaire…
o Hybridation : associer un vecteur énergétique « réversible » à la source d’énergie primaire non réversible
• Volants d’inertie• Supercondensateurs• Accumulateurs • …
Optimiser la gestion de l’énergie
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Systèmes de récupération d’énergie – transport
Volants d’inertieo Bus de Bâle
• Hybridation moteur diesel et moteur électrique• 12 bus équipés, plus de 200 000 heures d’utilisation. • 1200 kg - 5 kWh - 250 kW.
o Porsche GT3 hybride• Train arrière thermique – train avant électrique
o Tramway Citadis Alstom - Rotterdam• En test depuis 2005• 1000 kg - 22 000 tr/min – 4 kWh – 330 kW
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Systèmes de récupération d’énergie – transport
Supercondensateurso Honda FCX H2
• Assistance à la PàC• Récupération d’énergie au freinage
o Toyota TS030 hybride Le Mans• 1 moteur élec par train roulant + ICE• 1 pack de supercondensateurs
o Tramway Citadis Alstom - SCap• 770kg – 1,6 kWh – 500 kW
o Mazda i-ELOOP
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Systèmes de récupération d’énergie – transport
Accumulateurs (batteries)o Toyota Prius
• Hybride dérivation de puissance• 1,2 kWh - Ni-Mh
o Hybrides PSA (3008, 508, DS5 …)• Hybride parallèle• 2 kWh - Ni-Mh
o Système KERS F1• 60 kW – 6s par tour• Li-Ion - 111 Wh (400 kJ)
o Renault Zoé• Véhicule électrique• 65 kW - Li-Ion – 22 kWh• Freinage élec optimisé
Projet scooter hybride
Pourquoi travailler sur le scooter ?o Véhicule plus en plus présent dans les centres urbains
• 10% de croissance annuelle en moyenne dans les grandes villeso Enjeux environnementaux majeurs
• faible poids et faible encombrement,• mais énergivores et donc polluants.
– Scooter 400 CC– Environ 160 kg– Conso urbaine jusqu'à 6,5 litres d’essence pour 100 km (idem voiture)
o Les progrès à réaliser dans ce domaine sont encore considérables. Les trois facteurs clés de la faible consommation sont :
• Amélioration de la motorisation (faible consommation spécifique), • Réduction de la masse ,• Récupération d’énergie au freinage
Scooter hybride
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Partenariat industriel : Mazziota Motors 3 projetso Scooter hybride non rechargeable avec supercondensateurs
• Moteur thermique 125 cc classique• Moteur roue brushless 5 kW – 180 Nm• 80 cellules de 350 F 87.5 kJ• Système freinage hydraulique /électrique combiné breveté point essentiel
• À iso performances : économie de carburant entre 10 et 25 % suivant les cycles (cycles région parisienne)
• À iso consommation : augmentation des performances – accélérations identiques à un 400 cc)
Scooter hybride
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Partenariat industriel : Mazziota Motors 3 projetso Scooter hybride rechargeable avec batterie Li-Ion – Projet Niponnia
• Moteur thermique 125 cc• Moteur roue brushless 5 kW – 180 Nm• Accumulateurs amovibles : LiFePO4 – 1,2 kWh développement BMS• Système freinage hydraulique – électrique combiné breveté• Stop and Start, démarrage en mode électrique jusqu'à X km/h, mise en route du moteur
thermique, freinage régénératif, batterie rechargeable amovible…….
• Même dynamique qu'un 125CC classique « ni plus, ni moins » • Plus de 45 % d'économie d'essence par rapport à un scooter thermique équivalent
Scooter hybride
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Partenariat industriel : Mazziota Motors 3 projetso Scooter électrique (équivalent 50 cc) en développement
• Moteur roue brushless• Double moyen de stockage d'énergie
– batterie Li-Ion fournie l'énergie en débit « stabilisé »– Pack de supercondensateur absorbe les pics de puissance en propulsion ou en
freinage régénératif
• Avantages : système beaucoup plus efficace que la plupart des chaînes de tractions pour scooters électriques (+ 15 à 30 % autonomie en simulation)
• Brevet déposé
Scooter hybride
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Perspectives sur la récupération d’énergie
Marge de progression importanteo Aujourd’hui on ne récupère pas encore tout !
Perspectives
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Marge de progression importanteo Aujourd’hui on ne récupère pas encore tout !
• Problème de stabilité véhicule au freinage
Perspectives
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Transmission
Moteur électrique
Convertisseur de puissance
Batterie
Marge de progression importanteo Aujourd’hui on ne récupère pas encore tout !
• Problème de stabilité véhicule au freinage solution !
Perspectives
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Marge de progression importanteo Aujourd’hui on ne récupère pas encore tout !
• Problème de stabilité véhicule au freinage• Idem aussi les scooters développés à l’UTBM, on ne freine que la roue
arrière en électrique !
Perspectives
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Marge de progression importanteo Aujourd’hui on ne récupère pas encore tout !
• Problème de stabilité véhicule au freinage• Idem aussi les scooters développés à l’UTBM, on ne freine que la roue
arrière en électrique !• Solution ajouter un moteur dans la roue avant le plus compact possible
Perspectives
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Marge de progression importanteo Optimisation optimale de la chaîne de traction globale
• Scooter hybride série rechargeable
Perspectives
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Meilleur point de fonctionnementRendement cumulé > 30 %
Marge de progression importanteo Optimisation optimale de la chaîne de traction globale
• Scooter hybride série rechargeable
Perspectives
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Moteur 125 Génératrice Chargeur Onduleur 1Batterie Li-Io Moteur1 Frein 1
Prise 230 V
Onduleur 2 Moteur2 Frein 2
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Récupération d’énergieapplications transport
12 avril 2023 – David Bouquain UTBM