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Carnot IFPEN Transports EnergieMotorisations hybrides et électriques     
Nos solutions

Pour accompagner l’accélération de l’électrification des transports, IFPEN travaille sur les différentes briques de la chaîne de traction :

  • les machines électriques,
  • leur électronique de puissance : onduleurs et contrôle,
  • les batteries.
     

La récupération des énergies perdues et le développement de générateurs d’électricité font également l’objet de développements car ils participent à l’amélioration de l’efficacité énergétique des motorisations.
 

Machines électriques pour la propulsion

Les véhicules électriques sont une solution privilégiée pour réduire les émissions de CO2 du transport routier. IFPEN travaille sur la conception de motorisations à haut rendement et a retenu la technologie du moteur synchro-réluctant, qui possède un triple avantage :

  • il utilise moins d’aimants, et donc de terres rares, que le moteur synchrone à aimants permanents,
  • son coût de production est donc réduit,
  • il offre un haut rendement par rapport aux moteurs du marché.
     

En contrepartie, le pilotage du couple du moteur requiert un contrôle moteur plus complexe.
Une version adaptée aux véhicules nécessitant des basses tensions a été commercialisée en 2017 avec Aixam. Les recherches se poursuivent sur un moteur destiné à des tensions plus élevées pour le segment B (projet HivoB).
 

Une application du moteur synchro-réluctant pour des applications de petite puissance

IFPEN et la PME italienne Mavel ont développé un moteur synchro-réluctant à aimant permanent à haut rendement destiné à des véhicules de petite puissance. Il équipe aujourd’hui la gamme de voitures électriques sans permis e-Aixam, lancée par le constructeur Aixam en 2017.
 

gamme de voitures électriques sans permis e-Aixam

« Nous avons choisi de développer la technologie de motorisation électrique synchro-réluctante avec notre partenaire Mavel pour répondre à deux objectifs :

  • utiliser au mieux l’énergie stockée dans la batterie, ce qui impliquait :
    de maximiser le rendement de la chaine de traction,
    - et donc de limiter au maximum les pertes au niveau de l’électronique de puissance et de la machine elle-même,
  • faire des choix industriels avisés en termes de coûts de fabrication et d’approvisionnement. Le moteur synchro-réluctant à aimant permanent comporte en effet moins d’aimants en comparaison d’un moteur synchrone, les aimants étant constitués de matériaux rares et chers.
     

La première sortie marché de ces travaux communs concerne la gamme de véhicules e-Aixam, dont les machines sont produites en Italie par Mavel edt, notre filiale commune avec Mavel. Ces machines développent une puissance de l’ordre de 10 kW sous 77 volts.
 
Avec la même technologie, nous pouvons proposer une gamme plus étendue en termes de puissance (jusqu’à 150 kW à plus haute tension), pour répondre à un marché des véhicules électriques en pleine croissance, dont le marché chinois. »

Richard Tilagone, IFPEN
 Richard Tilagone, directeur de la direction de recherche Mobilité et Systèmes, IFPEN
 

 

HivoB : une nouvelle machine électrique pour le segment B

Après une première application sur des petits véhicules sans permis, IFPEN cible des applications nécessitant plus de puissance.

« Nous visons le segment B, car c’est aujourd’hui le plus porteur sur le marché du véhicule électrique. Il correspond à des modèles du type Renault Zoe, BMW i3 ou encore Citroën C3, qui requièrent une puissance de l’ordre de 120 kW. La technologie synchro-réluctante offre le meilleur compromis coût/performance/rendement : c'est celle que nous avons retenue. Elle nécessite toutefois un contrôle électronique avancé et un pilotage en couple du moteur plus complexe pour compenser la faible quantité d’aimants : nous avons donc développé des lois de commande adaptées. Nous avons aussi innové sur les parties actives de la machine et sur l’intégration mécanique du système avec :

  • un onduleur directement intégré sur le moteur, ce qui permet une réduction significative des coûts,
  • une thermique moteur optimisée,
  • et un rendement amélioré.
 HivoB - une nouvelle machine électrique pour le segment B

En parallèle, nous travaillons sur une solution moteur avec une tension de batterie plus faible (machines 48 volts), notamment destinée aux applications pour véhicules hybrides.
Notre ambition, à terme, est de développer une gamme de moteurs couvrant les besoins de tous les segments du marché.» 

Wissam Dib
Wissam Dib, chef de projet Motorisations électriques, IFPEN
 

 

Batteries 

Grâce à une expérience de plus de dix ans dans l’étude, la caractérisation et la modélisation des systèmes de stockage électrochimique (SSE) pour les transports, IFPEN est aujourd’hui reconnu comme un acteur incontournable de la modélisation et de la simulation des batteries en France. Ses travaux s’élargissent désormais aux applications stationnaires.

« La modélisation des batteries est au cœur de nos travaux dans le domaine des SSE. Nos modèles sont sans cesse enrichis et sont capables de représenter :

  • le comportement électrothermique des SSE,
  • leur vieillissement,
  • voire même leur fonctionnement abusif, grâce notamment à la modélisation fine du phénomène d’emballement thermique pour les batteries Li-ion.

Grâce à une veille active et à notre participation à des réseaux comme le RS2E en France, nous maintenons nos modèles à jour pour les technologies de batteries commerciales et prototypes les plus récentes.

Modéliser des batteries, cela veut dire être capable de :

  • mettre en place des approches mathématiques qui peuvent être simples (empiriques par analogie électrique) ou très complexes (modèles physiques, méthodes ab-initio) en fonction des besoins des utilisateurs finaux,
  • disposer de moyens d’essais et d’outils associés (traitements mathématiques, gestion des données, analyses de sensibilité, etc.) permettant la calibration efficace des paramètres associés aux modèles, et leur validation. Les essais de vieillissement pour calibrer les modèles de durabilité étant particulièrement coûteux en temps et en moyens, nous avons participé à la création du consortium COMUTES², dont l’objectif est d’organiser des campagnes d’essais mutualisées et ouvertes à tous.
     

Nos modèles sont :

  • disponibles dans la librairie Electric Storage de la plateforme Simcenter Amesim commercialisée par Siemens PLMlibrairie Electric Storage de la plateforme de simulation système Simcenter Amesim

     

  • utilisés et améliorés :
    - pour les travaux que nous menons dans l’accompagnement industriel : choix de technologie, dimensionnement pour une application,
    - dans des projets collaboratifs pour accélérer le développement des filières électriques, comme dans le projet européen Demobase.
    - pour innover sur des thématiques d’actualité comme la charge rapide, la seconde vie des batteries, les nouvelles générations de batteries tout solide, etc. ».

     

Julien Bernard
Julien Bernard, chef de projet Batteries, IFPEN
 


Le pilotage des machines électriques

« Le développement de nouvelles motorisations électriques à haut rendement et bas coût pour les véhicules hybrides et électriques nécessite des système électroniques embarqués intégrant des algorithmes de contrôle de plus en plus complexes. Grâce à eux, il est possible d’exploiter le potentiel des machines électriques de nouvelle génération conçues par IFPEN et ses partenaires industriels.
 
Notre expertise nous permet aujourd’hui de proposer des stratégies de commande pour optimiser le pilotage des machines électriques. Pour accélérer le processus de développement du contrôle machine électrique, nous avons mis au point une méthodologie d’intégration du code embarqué à travers une chaîne d’outils : développement d’algorithmes / test en simulation / génération de code automatique et validation sur un banc dédié au contrôle, avec acquisition à très haute fréquence des variables de contrôle. Cette méthodologie intégrée a déjà été testée avec succès par un partenaire industriel. »

Gianluca Zito, chef de projet Motorisations électriques, IFPEN
 

L’électrification de la boucle d'air

Un turbocompresseur électrifié pour les futures motorisations thermiques

Pour augmenter encore les performances et réduire la consommation des véhicules, IFPEN développe une solution originale de turbocompresseur électrifié, qui pourra équiper les futures motorisations, notamment hybrides. Un démonstrateur de cette solution a même fonctionné jusque 190 000 tr/min !

« L'électrification du turbocompresseur offre deux principaux avantages :

  • accroître les performances – notamment dynamiques – du moteur, ce qui augmente l’agrément de conduite,
  • prélever de la puissance sur le turbocompresseur,
    - et diminuer ainsi la consommation de carburant et les émissions de CO2,
    - ou accroître l’autonomie électrique.

Grâce à un développement mené sur l’ensemble du système électrique (moteur/génératrice et onduleur), nous pouvons proposer une solution originale et innovante de turbocompresseur électrifié fonctionnant jusqu’à 190 000 tr/min et développant plus de 4 kW sous une tension de 48V.

turbocompresseur électrifié pour les futures motorisations thermiques

Si ce type de technologie vise dans un premier temps les véhicules particuliers haut de gamme, il devrait aussi équiper les solutions hybrides 48 V qui verront le jour dans les prochaines années. Il est également destiné à d’autres applications de transport du secteur terrestre, notamment le transport de marchandises et les engins de chantier. »

Fabrice Le Berr
Fabrice Le Berr, chef du département Systèmes électrifiés, IFPEN
 

 

La turbine ORC

- Récupération d'énergie stationnaire

IFPEN et Enogia, PME française spécialisée dans les systèmes de récupération d’énergie thermique par cycle Rankine (ORC – Organic Rankine Cycle), travaillent actuellement sur un système destiné à valoriser la chaleur perdue par de grosses installations stationnaires (2 MWth) en la transformant en électricité.

Pascal Smague, chercheur à IFPEN, présente le démonstrateur testé sur le site d’IFPEN-Lyon

- Récupération d'énergie thermique des moteurs

IFPEN et la PME française Enogia ont aussi développé une version « automobile » petite puissance de ces systèmes ORC, adaptant la technologie pour le marché du transport.

Turbogénératrice ORC pour véhicule léger
Turbogénératrice ORC pour véhicule léger

« Les systèmes ORC permettent de récupérer des flux de chaleur perdus et de les valoriser sous la forme d’énergie mécanique ou électrique. Ils sont utilisés depuis de nombreuses années pour des applications stationnaires et notre ambition est de les adapter au secteur du transport, en particulier pour les poids lourds et les véhicules légers. L’énergie fabriquée servira à soulager le moteur à combustion du véhicule, et donc à réduire sa consommation de carburant et ses émissions de CO2. Nous visons des gains de l’ordre de 2 à 3 % en utilisation courante. L’originalité de notre approche est que la chaleur sera récupérée non pas dans les gaz d’échappement, mais dans le circuit de refroidissement des moteurs, où la température est plus basse. Cela permettra de rendre le système plus léger et plus compact, moins coûteux, plus fiable et plus facile à intégrer. »

Pierre Leduc
Pierre Leduc, chef de projet, IFPEN

 

Découvrir en images : comment fonctionnent les turbines ORC pour les moteurs ?

« Au démarrage de notre activité, nous avons privilégié des applications stationnaires, principalement dans le domaine des énergies renouvelables et de l’efficacité énergétique. Dans le cadre de notre partenariat avec IFPEN, nous élargissons notre périmètre au secteur du transport, notamment grâce à la miniaturisation. Nos approches de la récupération de chaleur sont complémentaires et les moyens d'essais d’IFPEN nous permettront d’accélérer la mise sur le marché de nos produits. Nous avons déjà plusieurs projets à l’étude pour l'automobile, le transport routier et le maritime. Nous n’abandonnons pas pour autant les applications stationnaires, avec le développement d’une machine de 100 kW électriques en cours de finalisation, pour répondre aux besoins de puissance supérieurs à ceux couverts par notre gamme de produits actuelle. »

Arthur Leroux, Enogia
Arthur Leroux, président, Enogia
 

 

- Une microturbine pour la gestion d'électricité embarquée

Moins bruyante, moins vibrante, moins polluante : la microturbine apparaît comme une solution optimale pour générer de l’électricité à bord d’un véhicule. IFPEN étudie le concept de près.

« Une microturbine est un générateur électrique dont la turbine tourne à haute vitesse et peut fournir des puissances allant jusqu’à 100 kWe. Nous avons choisi de privilégier des puissances inférieures à 35 kWe pour des applications du type :

  • bateaux de plaisance,
  • camions frigorifiques,
  • défense,
  • applications stationnaires, comme des antennes relais,
  • installations de cogénération,
  • ou, pourquoi pas, des véhicules particuliers pour en prolonger l’autonomie.
     

Par rapport à un moteur à piston offrant la même puissance, notre microturbine sera :

  • plus silencieuse,
  • plus compacte,
  • émettra moins de vibrations et d’émissions polluantes, notamment grâce à une chambre de combustion entièrement conçue par IFPEN,
  • et permettra aussi d’espacer les intervalles de maintenance en raison de sa fiabilité plus élevée.
     
Une microturbine pour la gestion d’électricité embarquée

Nous faisons tourner un démonstrateur depuis l’automne 2018, qui doit nous aider à cibler les composants nécessitant des ajustements. »

Fabien Rabeau, chef de projet Microturbine, IFPEN
 

Outil de simulation batterie

« La librairie Electric Storage que nous développons avec notre partenaire Siemens PLM Software, intégrée à la plate-forme Simcenter Amesim™, propose notamment aux utilisateurs de les aider :

  • au pré-dimensionnement du pack batterie grâce à l’utilisation d'un outil permettant, à partir de quelques données macroscopiques, de générer un premier design de batterie Li-ion et son modèle associé,
  • et à l’évaluation de phénomènes complexes tels que le vieillissement ou l’emballement thermique. »
     

Grégory Font, chef de projet Modélisation système GMP, IFPEN

 

Contacts

Adlène Benkenida

  • Responsable du programme "Composants et chaînes de traction"

Stéphane Henriot

  • Responsable du programme "Stockage et systèmes énergétiques"