energy harvesting : récupération d'énergie : une application, le scooter hybride

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