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  • 8/7/2019 vhicule lectrique

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    Le vhicule lectrique L E C T R I C I T - L E C T R O N I Q U E

    Sommaire

    Prsentation page 2

    La batterie de traction page 4

    Le moteur lectrique de traction page 10

    Le confort page 16

    Les interventions sur circuits lectriques page 19

    Conclusion page 20

    Annexe page 21

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    Dossier technique A.N.F.A. Le vhicule lectrique Edition 1997

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    PrsentationLe vhicule lectrique connu ds 1890 a t utilis jusque dans les annes trente, priode partir delaquelle le vhicule moteur thermique le supplante en raison de son autonomie.

    Depuis 1980, le nombre de vhicules thermiques polluants, augmentent de faon importante ; dessolutions de substitution sont envisages pour les grandes villes.

    Les constructeurs de vhicules, de batteries, de moteurs lectriques, groupent actuellement leursefforts de recherche, pour rpondre au cahier des charges dresss par les diffrents services delenvironnement des tats de la communaut europenne.

    La Solution lectrique rpond doublement aux exigences de la circulation urbaine, par son absencede pollution gazeuse et de nuisance sonore

    Les solutions proposesActuellement, trois solutions lectriques existent et se diffrencient par leur chane de traction.

    Traction lectrique classique

    C'est la solution la plus rpandue. Elle est compose d'un groupe de batterie, d'une gestionlectronique du courant et d'un moteur lectrique. Le montage se fait sur vhicules lgers de srie,poids lourds, chariots lvateurs, tracteurs arogares, Tracteurs de bagages SNCF et deux roues.

    batteries gestion moteur roues

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    Dossier technique A.N.F.A. Le vhicule lectrique Edition 1997

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    La traction bi-mode

    La traction thermique classique est utilise hors des villes ; la traction lectrique classique s'utilise enville.

    moteurthermique

    botetransfert roues

    batteries gestion moteur botetransfert roues

    Le montage se fait sur poids lourds PONTICELLI INDUSTRIES.

    La traction hybride

    Il s'agit d'un groupe lectrogne, entran par un moteur thermique ou par une turbine gaz. Celui-ci

    produit du courant, qui recharge en permanence un groupe de batteries. Celles-ci dbitent dans unmoteur lectrique de traction. En site urbain, le groupe est l'arrt et on recourt au moteur lectrique.Actuellement chez PSA, il existe le prototype 406 V.E.R.T. (Vhicule Routier lectrique Turbine)dont la commercialisation est envisage pour 2004.

    turbine Alternateur batteries gestion moteur rouesGroupe lectrogne Chane de traction 406 VERT.PSA.La prsentation simplifie du vhicule lectrique que nous proposons ici, va permettre de sefamiliariser avec le fonctionnement des systmes, le vocabulaire technique et de comparer lesproduits fabriqus actuellement.

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    La batterie de traction

    La batterie de traction est un gnrateur lectrochimique. Son principe de fonctionnement estidentique celui des batteries de dmarrage, de servitude, et dclairage que nous connaissons.Toutefois, en raison de son aptitude gnrer de trs forts courants, pendant des dures importantes,il est trs diffrent des autres batteries, par sa technologie de fabrication, sa gestion de charge et dedcharge.Un gnrateur lectrochimique stocke de lnergie sous forme chimique et la restitue sous formelectrique.

    La construction

    Les constituants internes dune batterie sont : llectrode positive, llectrode ngative, lisolant etllectrolyte.

    Terminologie utilise dansle domaine lectricit Terminologie utilise dansle domaine chimie Remarquelectrode + ou plaque

    positive Corps oxydant ou corpssusceptible dtre rduitlectrode - ou plaque

    ngative Corps rducteur ou corpssusceptible dtre oxyd

    Lensemble oxydant plus rducteur(plaque positive plus plaquengative) sappelle couple

    lectrochimiqueExemples : Plomb-Oxyde de plomb ;Cadmium-Nickel ; Nickel-Fer ; etc...

    Isolant poreux

    Sparateur Isolant mcanique entre deux

    plaques, sa porosit permet lepassage des ionsLiquide lectrolytique ou

    lectrolyte Acide ou base ;liquide ou gelLlectrolyte participe ou ne participe

    pas la raction chimique suivantles couples, mais dans tous les cas

    assure la conduction ionique

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    Le processus de dcharge

    Pendant la dcharge, la batterie est gnratrice et dbite du courant dans le moteur de traction.Pour permettre lapparition dun courant lectrique, il est ncessaire que les lectrons et les ionspuissent circuler ; un rcepteur va permettre la liaison entre llectrode + et llectrode -.

    Le principe de fonctionnement pendant la dcharge est le suivant :

    le galvanomtre joue le rle du rcepteur et le dplacement de son aiguille prouve le passage ducourant...La batterie se dcharge...

    Il est rappel que lintensit est proportionnelle la quantit dlectrons dplacs et la quantit dematire mise en uvre.Une batterie charge possde un excs dlectrons sa plaque ngative et un manque dlectrons sa plaque positive.Lorsque les deux plaques possdent le mme nombre dlectrons, la batterie ne dbite plus decourant (on dit quelle est " plat ").Le processus de charge

    Pendant la charge, la batterie est rceptrice du courant fourni par le secteur.Le procd est linverse de la dcharge.Un gnrateur de courant (dynamo, chargeur) est plac aux bornes des lectrodes et dbite en sensinverse dans le systme.Il va permettre de dplacer les lectrons de la plaque positive vers la plaque ngative et redonner labatterie son tat initial.

    Pendant la charge, le courant circule en sens inverse. Le galvanomtre dvie dans le sens inverse celui de la recharge. Lintensit et la quantit de matire dplace est toujours proportionnelle aunombre dlectrons en mouvement.Lorsque la plaque ngative est en excs dlectrons, la batterie est recharge. Lutilisation dugnrateur lectrochimique seffectue en deux phases, la charge et la dcharge. lintrieur de la batterie, lnergie chimique se manifeste par un transfert de matire grce unecirculation dions.

    lextrieur de la batterie, lnergie lectrique se manifeste par un dplacement dlectrons.La raction chimique fait apparatre deux autres phnomnes gnants : un dgagement de gaz et unemonte en temprature.

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    Les chargeursPendant la charge, la batterie se comporte comme un rcepteur de courant.Cette phase de fonctionnement obt des valeurs limites ne jamais dpasser pour :

    - la tension ;- lintensit ;- le temps ;- la temprature ;- le dgagement gazeux.

    Pour rpondre ces besoins, il existe pour chaque type de batterie un chargeur adapt.

    - le chargeur embarqu pour les vhicules lgers et les 2 roues (220V ~ 15 A alimentationsecteur) ;- le chargeur stationnaire pour les poids lourds et vhicules industriels (380V ~ 20 A et plus,alimentation triphase).

    Ces chargeurs sont pilots par un micro processeur.Ils sadaptent automatiquement aux besoins de la batterie en restant dans les valeurs permises.La coupure seffectue automatiquement en fin de charge.

    Les bornes de rechargement en site urbainLes borne en parking sont accessibles grce une carte puce. Elles permettent deffectuer unerecharge de jour et de nuit, sur un site en plein air ou souterrain.

    Il en existe trs peu actuellement. Leur dveloppement est li lvolution du vhicule lectrique.Quelques parkings sont dj quips dans les grandes villes et sites pilotes.Les bornes de recharge rapide sont situes en station service et permettent en cas de " panne sche "de rcuprer 20 Km dautonomie en 20 mm (puissance de la borne 18 KVA).Ces bornes sont manuvres par le personnel de la station et sont la proprit exclusive dudistributeur.Trs peu existent actuellement.

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    Comparaison des nergies

    Lexamen de ce graphique permet de constater les difficults rencontres pour stocker une nergiequivalente celle dun hydrocarbure.

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    Comparaison des technologies de fabrication

    Coupleschimiques

    nergie

    massiqueWh/kg

    tensionnominale

    parlment

    Volt

    dure devie en

    cycles etrecharge

    rechargerapide

    T de

    fonctionnementC

    rendement recyclageet nocivit prixfranc/kWh utilisation

    Plombacide

    Pb- PbO2 30 40 2 600 1200 occasionnel -20 60 68 oui 1000Volta, 2roues,chariot

    lvateur,poids

    lourds,servitudes

    SNCF etaroports

    Nickelcadmium

    Ni-Cd50 65 1,2 2000 oui -50 50 80 oui 4000

    Peugeot :100, 2roues,

    Partner.Citron : AX

    Saxo,Berlingo.

    NickelhydruremtalNi- MH 55 80 1,2 1500 non < 50 76

    Essais :USA,

    Europe,Japon.

    SodiumsoufreNa-Ci

    80 120 2 1000 constante 350 91 Essais :Europe.

    LithiumpolymreLi-POE-

    MO2

    150 3 500 non < 80 85 Essais :USA,France.

    LithiumcarboneLiC-MO2

    140 3,5 1200 oui -30 70 NC Essais :France Saft.

    Aluminiumair

    Al-O2250 2,75 Essais :

    USA.Zinc airZn-O2

    300 1,2 50 Essais :USA,Allemagne

    NC > non communiqu> informations non valides

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    Le choix d'une batterie de tractionLa slection dune batterie se fait en fonction des critres suivants, par ordre dimportance :

    - nergie, poids (Energie/Massique) ;- recharge (Nombre de cycles) ;- dure de vie, prix ;- entretien ;- tension, encombrement (fonction de lutilisation) ;- recyclabilit.

    NB : Actuellement, les constructeurs montent des batteries plomb et Cadmium-Nickel sur lesvhicules de srie.

    ConclusionLa filire Zinc-air pourrait tre, avec le lithium polymre, la batterie de demain qui permettrait uneautonomie suprieure 200 Km. (La recharge se fait par remplacement des lectrodes de zinc).

    Pour la batterie lithium carbone aucune esprance de commercialisation avant 2003. Elle est trsprometteuse cependant.

    Pour les piles combustible et hydrogne, les tudes progressent.Toutefois, il existe des difficults de stockage, de scurit, dencombrement et de poids.

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    Le moteur lectrique de tractionTrs utilis, depuis plus dun sicle, le moteur lectrique est souple, silencieux, ne pollue pas etsadapte toutes les situations.De manire spcifique, le moteur lectrique de traction doit rpondre aux critres suivants :

    - il doit pouvoir tourner et freiner dans les deux sens de rotation ;- il doit possder un couple important bas rgime, ainsi quun bon rendement.

    Pour ces raisons, et en fonction du type de vhicule fabriqu, les constructeurs orientent leurs choixsur :

    - Le moteur srie ;- Le moteur excitation spare ;- Le moteur Bruschless (ou moteur synchrone sans balais) ;- Le moteur asynchrone.

    Le principe de fonctionnement du moteur courant continuLorsquun conducteur, parcouru par un courant , est plac dans un champ dinduction, il est soumis une force perpendiculaire au conducteur et au champ dinduction F (loi de Laplace).

    La construction du moteur courant continuUn fil conducteur plac la priphrie de linduit * est appel brin actif.La faon de disposer les brins actifs sur linduit va permettre de crer des forces tangentielles qui vontconstituer le couple moteur.

    Chaque brin actif est soud ses extrmits sur deux lamelles du collecteur.Le collecteur solidaire de linduit alimente tour tour chaque brin actif par lintermdiaire des balais etdes lamelles. Il assure ainsi lalimentation synchronise de chaque brin.

    Le champ dinduction est produit par un lectro-aimant fixe appel inducteur, ou un aimant permanent.

    * Linduit est la partie tournante du moteur lectrique appele ROTOR.

    Le sens de cette force dpend du sens du courant et decelui du champ.

    Cest la force lectromagntique.- Le fil conducteur est repouss vers lextrieur delaimant ;- Si lon inverse la polarit de la batterie, le fil estattir vers lintrieur de laimant.

    Ces forces dattraction et de rpulsion quexercent lesaimants et les lectros aimants entre eux, permettent unmoteur lectrique de fonctionner.

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    Assemblage Induit - Inducteur = moteur lectrique

    Pour inverser le sens de rotation, il suffit dinverser le sens du courant dans linduit ou danslinducteur. Par combinaisons des connections entre induit et inducteur, on ralise un moteur srie ouun moteur excitation spare.

    Moteur srie Moteur excitation spare

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    Le principe de fonctionnement du moteur courant alternatif

    Construction du moteur asynchrone

    Moteur asynchrone monophasMoteur asynchrone triphas

    En disposant trois bobines sur le stator, on ralise le moteur asynchrone triphas adapt aux grandespuissances et utilis en traction lectrique.

    Moteur asynchrone triphas (principe)

    Par combinaisons des connections, on utilise deux possibilits :- montage toile ;- montage triangle.

    Montage toile Montage triangle

    N.B. : Les moteurs asynchrones ne peuvent pas utiliser un courant continu batterie. Un " systmeinterface " permet de transformer le courant continu en courant alternatif (Il sappelle londuleur).

    Laimant tournant est remplac par le stator (lectro-aimantaliment par un courant alternatif).

    Dans le rotor mtallique, des barreaux de cuivre en circuit fermsont insrs, pour canaliser les courants induits.

    De sorte que le rotor bobin, le collecteur et les balais sontsupprims.Ce moteur est simple et facile construire.

    Laimant tournant produit un champ lectromagntique quitraverse un cylindre mtallique.Les gnratrices du cylindre places dans le champ secomportent comme des brins actifs (AB et CD).Elles sont parcourues par un courant proportionnel F etengendrent des forces perpendiculaires qui constituent lecouple.

    On constate que le cylindre suit la rotation de laimant avec unlger dcalage appel glissement.

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    Llectronique de commandeLe moteur courant continu, le hcheur

    Le convertisseur lectronique appel hacheur permet de faire varier la tension aux bornes du moteuret par consquent la vitesse. Il agit par dcoupage de la tension do son nom de " hcheur ".Le convertisseur prsente une frquence de travail fixe.Il fait varier le rapport cyclique T1/T2, qui provoque la variation de tension (U moyen).Pour un moteur excitation spare, le convertisseur est compos de deux " hcheurs " quipermettent dadapter le moteur tous les besoins en couple et tension.Il en rsulte un fonctionnement trs souple et conomique.NB : Les convertisseurs sont grs par un microprocesseur qui limite ou stoppe le fonctionnement encas de temprature et dintensit excessives.

    Le moteur courant alternatif, londuleur

    En traction lectrique, londuleur est un convertisseur continu-alternatif, qui permet dobtenir troisphases de courant alternatif, dcales de 2p/3 (120), de frquence variable de zro 50 Hz partirdun courant batterie.Cette technologie permet dadapter les moteurs alternatifs fabriqus en grande srie, qui sont simples,robustes, et peu onreux.Ce type de convertisseur fait varier uniquement la frquence et permet dobtenir ainsi une vitesse derotation variable.Ce procd possde une puissance et un rendement correct tous les rgimes. (la vitesse de rotationdun moteur courant alternatif est fixe par la frquence ; la tension fixe le couple).

    NB : Avec lvolution de ce type de traction, la bote de vitesse disparat. Un rducteur suffit. Bientt lemoteur sera intgr dans la roue. Cette solution prsente un inconvnient car on augmente lesmasses non suspendues.

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    Principe de fonctionnement d'un hcheur de courant

    Principe de fonctionnement de l'onduleur

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    Quelques exemples dutilisation

    Moteur deux roues Vhiculelectrique Poids lourds Industriels Essais

    Aimantspermanents vlos tude

    Srie ScooterSimpsonScooter Sun

    VoltaMicrocar

    Agora

    RenaultSamvat

    Ponticelli

    Chariotslvateurs

    excitationspare

    Scooter PeugeotScooter Barigo

    AXSaxo106Clio

    Express

    MasterBerlingoPartner

    Asynchrone LigierNissanHondaBMWUSA(VE)

    Synchrone aimants

    permanents Essais ToyotaNissanHondaBMW

    ChryslerRenault

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    Le confort

    Le circuit de servitude 12 VIl est identique celui dun vhicule thermique.

    Ce circuit est aliment par un CVS (convertisseur statique de courant), qui transforme la haute tensioncontinue de la batterie de traction en 12 V continu et quelques dizaines dampres, suivant lademande.

    Le CVS alimente les clairages, le circuit de commande, le circuit de scurit, les essuie-glaces, la.ventilation et maintient charge la batterie 12 Volts.

    Le CVS est pilot par un micro processeur ; la distribution du courant est gre par de llectroniquede puissance :

    - il stoppe automatiquement le dbit pour une tension suprieure 13,8 Volt ;

    - il rgule ou coupe la charge en cas de sur intensit ;

    - il est protg par des fusibles sur son entre et sur sa sortie ;

    - il spare galvaniquement (sparation galvanique = isolement) la haute tension du 12 Volt.

    Le chauffage de l'habitaclePour chauffer correctement un vhicule lectrique en utilisant une partie de lnergie contenue dansles batteries de traction, on constate statistiquement, une rduction de lautonomie de 10 15 %.

    Pour viter ces dsagrments, les constructeurs quipent les vhicule lectrique dun chauffageadditionnel.

    Ces chauffages thermiques sont appels chauffage par vaporation.

    Caractristiques

    Puissance de chauffe 1,8 5 kWAutonomie 12 heures plein rgime

    Energie Essence ou gasoilPollution CO (+ ou -) = 0,1%, HC (+ ou -) = 12 ppmGestion Par calculateur lectronique

    Programmation De l'heure de dmarrage, de l'heure d'arrt, de latemprature

    Commande

    distance Montage facile intgrer sur tous les modlesDistribution Par les marques Webasto et Eberspacher

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    Principe de fonctionnement d'un chauffage additionnel

    1 - rservoir

    2 - pompe carburant

    3 - double turbine d'air

    4 - allumage lectrique

    5 - bougie d'allumage6 - bloc lectronique de gestion

    7 - chambre de combustion

    8 - silencieux d'chappement

    9- changeur

    10 - distributeur d'air chaud

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    Autres lmentsLa direction assiste

    Son fonctionnement est identique celui des vhicules thermiques.

    La pompe hydraulique est entrane par un moteur 12 V.

    La consommation maximum de ce moteur est denviron 35 Ampres en orientation.

    Le freinage : la pompe vide

    Elle est galement entrane par un moteur lectrique et permet dutiliser un circuit de freinageassist, identique celui dun vhicule thermique.

    Le moteur 12V a une consommation moyenne de 8 A.

    Les pneumatiques

    On peut noter ces particularits : pour quiper lAX, la 106 et la SAXO, Michelin a cr le pneu" GREEN " PROXIMA (gain dautonomie 5 %) fabriqu et utilis uniquement pour les vhiculeslectriques.Les caractristiques de ce pneumatique sont les suivantes :

    - tubeless marqu GREEN PROXIMA ;- dimensions 155/70/R13 ;- radial XSE, charge 387 Kg, renfort latral ;- extrmement adhrent, trs silencieux ;- pressions conseilles : AV 2,6 bars, AR 2,8 bars.

    Il convient de prciser que le montage du pneu basse vitesse est interdit sur tout autre type devhicule.

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    Les interventionssur les circuits lectriques

    Actuellement, les VE sont aliments par des tensions suprieures 100 V. Dans un proche avenir,des tensions suprieures 400 V sont prvues.Dans ces conditions, un personnel non qualifi et mal inform risque de :

    - slectrocuter ;- se brler en cas de court-circuit ;- endommager le vhicule et loutillage confi.

    Tout personnel intervenant sur un vhicule lectrique doit possder un titre dhabilitation pour raliserdes travaux dordre lectrique dpassant des tensions de 50 V.

    Le titre dhabilitation est obligatoire (la rglementation relative au titre dhabilitation est contenue dans

    le recueil de normes UTE C18-510 de lunion technique de llectricit 92052 Paris la Dfense CEDEX64).

    Pour lobtenir il est ncessaire de satisfaire aux conditions dune visite mdicale, dtre lectricienconfirm par un diplme, deffectuer un stage dans un centre agr pour faire valider les comptencesexiges par le niveau des interventions.En cas daccident induit par le non respect des procdures lgales et ayant entran des blessuresgraves, des poursuites peuvent tre engages.

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    ConclusionLes handicaps du vhicule lectrique sont actuellement :

    une autonomie moyenne comprise entre 80 et 100 km ; un temps de recharge batterie de 6 8 heures.

    Les amliorations apportes aux batteries, permettent dannoncer des autonomies suprieures 150 km, ainsi que des temps de recharge rduits.

    Grce ces recherches, le vhicule lectrique pourra sintgrer plus facilement dans les parcs devhicules urbains o il correspond de plus en plus aux besoins des utilisateurs et aux volutions de la

    lgislation.

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    Annexes

    Rappel des caractristiques de l'nergie lectriqueMesure de l'nergie lectriqueLa batterie est un rservoir dnergie.Le contenu dun rservoir exprime sa capacit.La capacit dune batterie dpend du couple chimique, de la quantit de matire mise en oeuvre et desa temprature.La capacit sexprime en Ampre x heure (Ah).La quantit de courant sexprime en coulomb (C).

    1 Coulomb = 1 ampre x 1 secondeQ = I x t

    et 1 Ah = 3600 C.La quantit de courant libre ou absorbe dans une raction chimique pour une valence gramme estde 96500 coulombs (Loi de Faraday).Soit : = 26,8 Ah

    Valence gramme =

    Capacit massique (thorique) = = Ah par gramme

    Exemples

    Batterie plomb :Masse atomique : 207,19 gNombre dlectrons changs : 2

    Valence gramme = = 103,6 g

    Capacit massique thorique = = 0,25 Ah/g

    Batterie Cadmium :Masse atomique : 112,4 gNombre d'lectrons changs : 2Mme calcul

    Capacit massique thorique = 0,47 Ah/g

    Batterie Hydrogne (pile combustible) :Masse atomique H2 : 2 x 1 = 2 gNombre d'lectrons changs : 2Mme calcul

    Capacit massique thorique = 26,8 Ah/g

    965003600

    masse atomique (gr)nombre dlectron participant la raction

    26,8 Ahvalence gramme

    207,192

    26,8103,6

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    La tensionLa valeur de la tension est donne par la formule suivante :

    FEM =Sachant que 1 Watt = 1 Ampre x 1 Volt

    FEM = = Volts

    Exemple

    Un lment dune batterie plomb possde une nergie de 320 Wh.Sa capacit est de 160 Ah.FEM = = 2 V

    Units :FEM : Force lectromotrice (Volts)nergie : Watt heureCapacit : Ampre heure

    320160

    Energie libr

    Capacit

    WhAh

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    Comparaison* des moteurs utiliss en traction lectrique

    Paramtres Moteur courant continu Moteur courantalternatif**

    Contrle de la vitesse Tension, flux Tension, frquenceContrle du couple Courant, flux Courant, frquence de

    glissementPlage de vitesse 4 2Vitesse maximum 2 5

    Puissance massique 2 3Encombrement 4 5

    Rendement 4 5Rcupration freinage 4 2Facilit de construction 2 5

    Refroidissement 2 3Robustesse 2 5

    Bruits 5 5Simplicit de commande 3 2

    Prix 1 2Pollution 5 5Entretien 4 5

    Total 44 545 = excellent

    1 = mdiocre

    *d'aprs apprciation d'un groupe d'experts sur les performances des deux types de moteur.**Le moteur courant alternatif est de plus en plus employ pour la traction lectrique. Les mmes experts attribuent aumoteur thermique la note de 21 (en rapport final, vhicule routier lectrique, CFE).