Captation d'énergie dynamique sans contact pour véhicules électriques

Responsable

Zoubir Khatir Ifsttar/COSYS/LTN

Participants

  • COSYS/LTN : Alexandre De Bernardinis, Laurent DUPONT, Zoubir Khatir, Bogdan Vulturescu, Richard LALLEMAND, Ali IBRAHIM
  • COSYS/LEMCO : Hasnaâ ANISS

Etat de l'art

Les premiers travaux sur la recharge dynamique par induction ne sont pas récents. Parmi eux, les travaux de l'université de Berkeley présentaient de faibles rendements de l'ordre de 30 à 40% pour des entrefers insuffisants. D'autres inconvénients en réduisaient également l'intérêt comme la sensibilité aux déports latéraux du véhicule qui nécessitait un bon guidage. Depuis, le sujet du transfert d'énergie sans contact s'est surtout rapporté aux cas de la recharge statique, en parking pour les véhicules personnels ou en station pour les véhicules de transports publics comme le système Primove de Bombardier. Depuis quelques années, un regain d'intérêt pour le cas de la recharge en roulant des véhicules s'est fait jour à cause des faibles avancées en termes d'autonomie des VE mais aussi grâce à des avancées technologiques qui ont permis de réduire de manière importante les inconvénients des premiers systèmes étudiés. C'est ainsi que la transmission d'énergie sans fil pour des applications transports est devenue ces dernières années un domaine de recherche très actif. Une des institutions les plus avancées dans le domaine du transfert dynamique est le KAIST (Korean Advanced Institute of Science and Technology) avec le système OLEV (On-Line Electric Vehicle). Les travaux que nous nous proposons de faire dans ce contexte reposent sur des aspects énergétiques et technologiques. En effet, les contraintes applicatives permettant une recharge dynamique reposent notamment sur une définition optimale des zones de recharge, de la dynamique des véhicules, du trafic, de l’efficacité du transfert de l’énergie, du volume d’énergie embarqué, de l’environnement qui se doit d’intégrer l’infrastructure des réseaux de distribution d’énergie électrique. L’étude du système global, véhicule – recharge dynamique – infrastructure, devra définir ces limites et des conditions de faisabilité. Ces notions font échos aux études menées au LTN afin d’assurer une meilleure efficacité énergétique des systèmes grâce à l’association robuste de nouvelles solutions de stockage dynamique. Par ailleurs, le LTN peut contribuer à l'amélioration de ces systèmes par l'utilisation de fréquences plus importantes (>100kHz) permises actuellement par des composants de puissance "grands-gaps" sur lesquels le LTN commence à avoir une expertise.

Enjeux et objectifs

Cette action de recherche propose d'étudier la problématique de la recharge dynamique sans contact des véhicules à propulsion électrique. Ce sujet s’intègre dans la thématique "Energie routière" du projet R5G.

Les véhicules purement électriques, qui sont les seuls à ne pas émettre directement de gaz polluants, se heurtent à des handicaps sérieux à leur diffusion dans le public. Les raisons principales sont liées à l'autonomie des batteries, qui reste limitée malgré quelques progrès, et à la durée des recharges de ces dernières. Si l'on ajoute la fiabilité et le cout, il est clair que ce type de véhicule pâtira encore d'une faible acceptabilité de la part du public. Cependant, si l'on accepte de ne pas embarquer 100% de l'énergie électrique, mais de la puiser de manière dynamique à travers une infrastructure dédiée, il est possible de revisiter le concept. La perspective d’une recharge dynamique sans contact permettrait d’accroitre l’autonomie du véhicule tout en assurant un service moins contraignant. Ce concept pourrait étendre le domaine d’usage des véhicules électriques en parcours extra-urbain, voire sur autoroute où les contraintes d’usage sont bien différentes de celles du transport collectif, ou du fret urbain. De plus, cette solution permettrait d'alléger les véhicules en réduisant le volume de batterie embarquée, de distribuer les infrastructures de recharge.

Le LTN souhaite investiguer le transfert d’énergie électrique sans contact vers le véhicule pendant son déplacement. D’ailleurs, cette orientation est à rapprocher avec son actuelle implication dans l’appel à projet européen FP7 FABRIC (FeAsiBility analysis and development of on-Road chargIng solutions for future electric vehiCles). Ce programme de recherche s’attache à étudier les aspects socioéconomiques avec une contribution sur les aspects technologiques actuellement disponibles pour la recharge statique. Or, le principe de recharge dynamique nécessite de réviser en profondeur les choix technologiques en y intégrant les aspects connexes afin d’assurer l’efficacité énergétique et une bonne intégration du système dans l’environnement global.

Les travaux proposés dans le cadre de cette R2i se limitent à des aspects énergie et télécommunications mais intéresseront, à terme en cas d'extension, des aspects plus larges autour des smart-grids, de l'infrastructure et de son interaction avec le système enfoui, de la santé dû aux possibles effets des rayonnements résiduels, de l'économie et de la sociologie en terme d'acceptabilité.

Avancées scientifiques attendues

L’impératif d’efficacité énergétique conduit à devoir réviser les standards de la conversion d’énergie par interrupteurs statiques. En effet, les puissances électriques à transférer peuvent induire des modes de fonctionnement à des fréquences élevées pour l’électronique de puissance (>100kHz). Il sera donc nécessaire d’investiguer le champ des composants dits « grand gap » en association avec de nouvelles topologies de convertisseurs efficaces (convertisseurs à résonance, commutations douces). Dès lors, ces innovations sont à confronter aux conditions d’intégration qui peuvent induire des contraintes sévères pour ces briques technologiques en termes de maintenabilité fonctionnelle et de fiabilité. Ces champs d’investigations font partie des thèmes stratégiques de recherche des membres de l’équipe du LTN depuis quelques années.

L'utilisation de ces technologies émergentes et innovantes pourrait aussi avoir comme conséquences de nouvelles recherches d'optimisation des boucles primaires et secondaires afin d’assurer le meilleur transfert de l’énergie (géométrie, matériaux, mode d’induction…).

En parallèle de ces besoins de rupture technologiques, une nouvelle stratégie de gestion de l’énergie embarquée doit être définie, en adéquation avec l’usage autoroutier du véhicule et l’infrastructure au sens large. Comme évoqué plus haut, une étude du système global, véhicule – recharge dynamique – infrastructure, devra être menée et définir les limites et les conditions de faisabilité.

Au regard des mutations technologies en perspectives dans d’autres domaines applicatifs (automobile, aéronautique…), ce programme permettra de renforcer les connaissances des chercheurs impliqués. En effet, devant la nature complexe des interactions qui caractérisent la transmission d’énergie sans contact, les membres du LTN sont unanimes pour affirmer le besoin d’une plateforme expérimentale afin de démontrer la pertinence des nouveaux concepts développés dans le cadre de cette R2i. Ainsi, même si la réalisation de briques expérimentales est prévue au cours de la deuxième année, une poursuite de l'action est envisagée avec un démonstrateur (dans le cadre R5G) sous forme d'une maquette du système où chacun pourra tester les concepts qui l'intéresseront (énergie, communication, etc…). Ce démonstrateur pourrait avoir pour vocation de devenir une plateforme expérimentale, fédératrice entre plusieurs laboratoires au sein du département 3 mais également de manière transversale entre les départements de l'IFSTTAR.

Résultats attendus en 2013

  • Rapport de stage master "Route électrique : électromagnétisme / électronique de puissance"
  • Rapport de recherche "Route électrique : étude globale du système d'énergie"
Illustration du concept de recharge dynamique d’énergie par induction
Exemple d’alimentation électrique du système de recharge inductive avec stockage tampon