Chap5 Insrastructures Batteries Bornes de Recharge [PDF]

Zitiervorschau

MOBILITÉ ÉLECTRIQUE ET TRANSPORT NOUVEAU 5- INFRASTRUCTURES - BATTERIES-BORNES DE RECHARGE

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Objectifs : • Besoins pour voitures électriques • Batteries et chargeurs embarqués • Borne de recharge fixe, types, normes • Bornes de recharge mobile, pour maison et au travail • Atelier 3 (conception et simulation d’une borne de recharge) Équipements d’un véhicule électrique : Chaîne de traction La chaîne de traction d‘un VE est plus simple que celle d‘un véhicule thermique. le choix et l‘arrangement des composants qui constituent la chaîne de traction décrits dans la figure suivante

Il s’agit, si l’on part du réseau d’alimentation alternatif, du chargeur de batteries, de la batterie électrochimique de la source embarquée d’énergie électrique, de l’ensemble convertisseur statique du moteur électrique et le contrôle et, enfin, de la transmission mécanique dont la fonction est d’adapter la caractéristique mécanique de la charge à celle du moteur. Pour l’analyse de la consommation totale, il faut aussi prendre en compte les auxiliaires comme le système de refroidissement (air ou eau) du moteur et de son convertisseur électronique, ainsi que la gestion des flux d‘énergie entre eux restent au stade de la recherche L’électronique de puissance dans le véhicule électrique • • • •

Les redresseurs (AC/DC) Les onduleurs (DC-AC) Les hacheurs (DC-DC) Le chargeur ◦ Les chargeurs de type " lents " : Le chargeur de type lent est un dispositif d’une puissance moyenne, généralement de 3 kW. Il nécessite pour une charge complète du pack de batteries une durée de 5 à 8 heures. Cette opération peut donc s’effectuer en heures creuses ◦ Les chargeurs de type " rapides " : Les structures, dont la puissance transitée est supérieure à 10 kW, ont été classées dans les chargeurs dits rapides. La puissance maximale atteint 2

aujourd’hui 150 kW. L’objectif de ce type de montage est de permettre, en peu de temps (inférieur à 30 min.) une recharge partielle (80 %) des batteries

Types de chargeur :

Diverses sources d’énergie électrique : La batterie : La batterie est le point de stockage de l‘électricité. Elle est connectée au moteur électrique par l‘intermédiaire d‘un régulateur et d‘un convertisseur. La batterie est chargée, à partir d‘une source extérieure pendant les périodes de repos, le major problème de cette dernière c’est la durée de vie qui n’est pas très grande, et le temps important qu’elle prenne pour se charger. Elles peuvent être en plomb, en Ni-Cd, en Ni-Mh ou en lithium.

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Les batteries au plomb : représentent la technologie la plus ancienne, elles furent utilisées dans les premiers temps des VE, aujourd’hui sont largement délaissées. La raison en est leurs caractéristiques énergétiques et de puissance plus faibles par unité de masse que les autres solutions disponibles. Les batteries au nickel-cadmium (Ni-Cd) : largement utilisées au XXe siècle, souffrent en partie des mêmes problèmes que celles au plomb en termes de performances. et la toxicité du cadmium contenu dans ces batteries fait que leur usage est très encadré et que leur application risque d’être limitée

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Les batteries au nickel-hydrure métallique (Ni-MH) : sont largement utilisées à l’heure actuelle dans les VEH, et sont réputées avoir une longue durée de vie et une meilleure densité énergétique que les deux premières. Pour autant leurs performances restent encore trop faibles pour être le seul conteneur d’énergie d’une voiture

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Les batteries au lithium : ce sont celles qui présentent le meilleur rapport masse-puissance et masse-énergie. Par ailleurs elles ne souffrent pas de « l’effet mémoire » (une perte de capacité lorsqu’elles sont rechargées avant d’être complètement déchargées). La plus utilisée est la batterie Lithium-ion, les chercheurs pensent que se composant prolongerait de façon conséquente l’autonomie du véhicule

Comparatif des caractéristiques des différentes batteries

Les super condensateurs Les super condensateurs stockent l’énergie sous forme électrostatique. Ils sont des systèmes de stockage d’énergie de faible densité d’énergie mais d’une densité de puissance importante. Par conséquent, ils sont utilisés dans les phases transitoires pour fournir les pics de puissance demandés, afin de réduire les sollicitations en courant, de diminuer la taille et d’augmenter la durée de vie de la source principale d’énergie (batteries ou pile à combustible)

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Le super condensateur se compose de deux collecteurs métalliques, chacun couplés à deux électrodes carbonées, poreuses et imprégnées d’électrolyte. Pour remédier aux problèmes de surdimensionnement des batteries dans les applications VEH, les super condensateurs présentent des propriétés très intéressantes. La cinétique du transfert de charge est plus rapide que dans le cas des batteries. Leur durée de vie est de l’ordre de quelques centaines de milliers de cycles de charge/décharge

Composition d’un super condensateur Les volants d’inertie Les volants d’inertie stockent l’énergie électrique sous forme d’énergie cinétique. Ils sont soit totalement mécanique avec un système d’embrayage et un multiplicateur de vitesse soit le système est composé d’un volant entrainé par une machine électrique. Les points positifs sont la durée de vie des éléments sous vide et la puissance massique. La sécurité est le problème majeur de cette technologie car le rotor tourne à très haute vitesse (jusqu’à 80 000tr/min)

Le couplage de ce volant avec un moto-générateur permet de transformer l’énergie cinétique sous forme électrique. Pour augmenter la densité d’énergie et pour minimiser le volume du système, on préfère augmenter la vitesse plutôt que le moment d’inertie. Les volants d’inertie modernes à très haute vitesse utilisent un volant en matériaux composites capables de résister à la force centrifuge et surtout à de très grandes vitesses périphériques, la limite étant à environ 800m/s. 5

Actuellement, l’utilisation d’un volant d’inertie n’est pas envisagée pour les véhicules légers et elle est limitée aux véhicules lourds car ils restent une procédure complexe qui conduit à un coût élevé Le moteur électrique • • •

Le moteur à courant continus (MCC) Le moteur asynchrone (MAS) Le moteur synchrone ◦ Le moteur synchrone à aiment permanent (MSAP) ◦ Le moteur synchrone à reluctance variable (MRV) Comparatif des caractéristiques des moteurs électriques

En plus des équipements mécaniques il y’a des équipements annexes qui assurent : - La sécurité -

Le contrôle

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La signalisation

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La mesure

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La régulation

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La signalisation

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Le freinage

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L’assistance

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Vitres électrique, essuie glaces, …

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Le conditionnement d’air

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… Installation Électrique

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Basée sur 12V (tension de la batterie)

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Protection par fusibles

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Équipements alimentés en 12V

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Généralement le – est la carcasse (simplification de câblage)

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Vu la quantité importante des équipements, le diagnostic et la réparation de la partie électrique est parfois difficile. Ces équipements peuvent être classés par nature : Circuits de démarrage

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Circuit de préchauffage 6

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Circuit de gestion du moteur

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Circuit d’éclairage

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Circuit de signalisation

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Circuit de confort et d’accessoires

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Circuit de sécurité

La communication se fait par bus (réduction du câblage)

Chargeurs de batteries & Bornes de recharge La norme SAE J1772 définit six niveaux de recharge. En Amérique du Nord, pour les véhicules électriques, on n’en emploie actuellement que trois (voir tableau). •

Le niveau 1 correspond à une tension de 120 V CA,

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le niveau 2, à une tension de 208 ou de 240 V CA,

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et la recharge rapide, à une tension de 200 à 450 V CC.

Bien que certains emploient le terme « niveau 3 » pour qualifier une borne de recharge rapide en courant continu, cette appellation est erronée et son utilisation est déconseillée. À l’heure actuelle, seules les normes CHAdeMO et SAE J1772 « Combo » prévoient une recharge rapide. Parallèlement, le constructeur Tesla utilise un système de recharge rapide en CC réservé aux voitures de sa marque et appelé « Supercharger ».

Niveau 1 (120 V) : Tous les V E sont équipés d’un chargeur embarqué (c.-à-d. intégré au véhicule) de niveau 1 qu’il suffit de brancher à une prise de courant ordinaire. Ce dispositif a l’avantage d’éviter toute installation électrique ou, à tout le moins, d’en limiter au minimum le coût éventuel. Le chargeur embarqué à 120 V est intégré à tous les types de V E. Pour la prise niveau1, le temps de recharge est indiqué ci-dessous.

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Niveau 2 (208 ou 240 V) Dans le cas des bornes de niveau 2, indépendamment de la puissance de l’appareil, le temps de recharge peut être allongé du fait des caractéristiques du chargeur embarqué et de l’état de la batterie. Cela dit, la puissance des chargeurs embarqués est appelée à augmenter. Le fabricant Tesla, par exemple, offre des chargeurs embarqués de 10 et de 20 kW. Réciproquement, la vitesse de recharge d’un VE peut être limitée par la puissance de la borne (voir tableau )

Recharge rapide en C C La recharge rapide en CC est encadrée par les normes nord-américaine S A E J 1772 « Combo »et japonaise J E V S G105-1993*. Les bornes de recharge rapide en CC sont habituellement compatibles avec ces deux normes. Tous les constructeurs automobiles adhèrent à une de ces normes, à l’exception de Tesla qui a mis au point une borne plus performante, mais qui offre des adaptateurs CHAdeMO sur demande.

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Le temps de charge est indiqué ci-dessous

Les bornes de recharge Une borne de recharge se présente généralement sous la forme d’un appareil fixe raccordé directement à un tableau de distribution électrique ou, parfois, branché sur une prise de courant. La borne comprend un ou plusieurs câbles de charge munis d’une prise mobile qui rappelle un pistolet à essence et s’utilise d’une manière analogue : il suffit de la brancher au socle de recharge du VE pour recharger la batterie. La borne est équipée de voyants qui indiquent si le VE est branché et s’il est en recharge.

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Pour la sécurité des utilisateurs, les bornes de recharge intègrent un dispositif de surveillance de fuites qui réduit les risques d’électrisation. Par ailleurs, l’utilisateur n’est pas exposé à des tensions ou à des courants dangereux, puisque les broches de la prise mobile ne sont mises sous tension qu’une fois celle-ci correctement insérée.

Prise CA

Prise CC

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Convertisseurs embarqués

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Synoptique d’une station de recharge

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Statistique 2016 (Belgique)

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