Étude Des Leviers D''optimisation De L''autonomie D''un Ve

I.1 Effet du coefficient aérodynamique SCx sur l’autonomie sur 40 km Cycle Suburbain en été température ambiante de 20°C et en hiver température ambiante de -5°C Récupération d’énergie :

Confidentiel

2014

Étude des leviers d’optimisation

de l’autonomie d’un VE

Master Mobilité et Véhicule Électrique

DAO Huy Hoang RIVIÈRE Philippe LEPAISANT Philippe

REMERCIEMENT

Au terme de ce stage laboratoire, je souhaiterais exprimer ma sincère gratitude envers :

Monsieur Philippe LEPAISANT, mon tuteur professionnel, pour sa disponibilité, son soutien tout au long de ce projet, ainsi que pour ses conseils concernant la rédaction de ce rapport

Monsieur Philippe RIVIÈRE, mon tuteur à MINES PARISTECH, pour m’avoir enseigné de faire stage laboratoire

Monsieur Moise DIAME, pour son rôle de formateur sur le logiciel AVL Cruise

Je tiens à remercier également tous les membres du service E-MOBILITY de la DEA-IRE dirigé par monsieur Frédéric CANAL pour leur accueil et à la confiance qu’ils m’ont accordée sur ce projet

Je remercie aussi mes homologues du MVE pour leur soutien moral et leurs encouragements permanents

L’étude s’appuie sur des simulations numériques en dynamique longitudinale, réalisées à l’aide du logiciel AVL Cruise (code de calcul référence au sein de Renault) Les résultats de cette étude nous permettent de hiérarchiser les différentes solutions puis éventuellement de les combiner pour optimiser le ratio cỏt/valeur le plus intéressant au regard de l’autonomie augmentée La base économique de comparaison prise en référence est celle observée sur les batteries Li-Ion Cette étude est pérenne car même si le cỏt du kWh/km des batteries évolue dans le temps, il suffira de changer cette variable pour conserver une base de comparaison robuste

TABLE DE MATIÈRE

I INTRODUCTION……….5

A Le véhicule électrique – le moyenne du transport de l’avenir……….5

B Présentation de la société Renault ……….6

C Contexte du stage……….7

D Société AVL et logiciel AVL CRUISE……….14

E Étude de sensibilité paramétrique du véhicule électrique ………15

II AUTONOMIE D’UN VÉHICULE ÉLECTRIQUE……….16

A Définition de l’autonomie d’un VE………16

B L’autonomie de véhicule électrique de la gamme ZE………16

III LES PARAMÈTRES D’OPTIMISATION DE l’AUTONOMIE DU VÉHICULE ÉLECTRIQUE……… 17

A Priorisation des postes de consommation ……… 17

B Les leviers physiques d’optimisation de l’autonomie……… 19

C Les solutions technologiques d’optimisation de l’autonomie………62

IV DROIT DE DÉPENSE……….73

V CONCLUSION………77

VI PERSPECTIVE………78

BIBLIOGRAPHIE……….79

I INTRODUCTION

A Le véhicule électrique – le moyenne du transport de l’avenir

Historiquement, les premiers véhicules électriques sont apparus quasiment en même temps que les véhicules thermiques à la fin du XIXe siècle Néanmoins, avec le développement de la technique du moteur thermique et la diminution de prix du pétrole à cette époque-là, les véhicules thermiques ont dépassé les véhicules électriques pour devenir les moyens de transport principaux

Aujourd’hui, la ressource pétrolière n’est pas abondante comme auparavant De plus, la combustion

de l’énergie fossile produit de nombreux polluants comme : CO, HC, NOx,… Ces substances nuisent gravement à notre santé et à notre environnement Donc le remplacement de la voiture thermique par la voiture électrique devient indispensable

L’Alliance Renault-Nissan a fait le choix stratégique du véhicule tout électrique, là ó d’autres constructeurs ont fait le choix des véhicules hybrides Renault est le premier constructeur généraliste à proposer une gamme complète de véhicules zéro émission (ZE) à l’usage, accessible au plus grand nombre

Figure 1 La gamme ZE de Renault

Pour Renault le véhicule électrique constitue à terme une vraie réponse aux problématiques actuelles liées à l’environnement et aux nuisances sonores dans les villes Les innovations techniques permettent désormais de rendre possible une offre électrique de masse à des cỏts raisonnables

B Présentation de la société Renault :

Pour mieux comprendre ce choix stratégique, intéressons-nous à comprendre comment Renault est devenu aujourd’hui l’un des plus grands constructeurs automobiles du monde et également un des constructeurs pionniers dans la mobilité durable avec sa gamme ZE

B.1 Renault et l’Alliance

La Société Renault Frères a été fondée par les trois frères Louis, Marcel et Fernand Renault le 25 février 1899 à Boulogne-Billancourt Entreprise familiale, elle grandit très vite durant les « années folles », dans les années 20, grâce à l’engouement du public pour la voiture Accusé de collaborer avec l’Allemagne nazie durant la Seconde Guerre Mondiale, l’Etat nationalise toutes les usines Renault sous le nom de Régie Nationale des Usines Renault En 1990, l’entreprise devient une société anonyme à capitaux d’état, jusqu’à sa privatisation en juillet 1996

Renault signe l’Alliance avec Nissan en 1999 et est en 2013 le quatrième groupe mondial derrière Toyota, Volkswagen et GM en nombre de ventures vendues

L’alliance Renault-Nissan dans laquelle Renault possède 44,3% du capital de Nissan, et Nissan possède 15% du capital de Renault cette alliance permet d’avancer de façon commune sur le continent asiatique

Le groupe Renault est présent sur les 5 continents avec des implantations dans 128 pays et avec plus de 120 000 employés et trois marques différentes sous lesquelles il commercialise ses différents véhicules : Renault, Dacia et Renault Samsung Motors (RSM) En plus de Nissan, il existe d’autre collaborations avec, dans une moindre mesure, avec Daimler et AvtoVAZ

Concernant sa vente de véhicules, Renault réalise plus de 50% de ses ventes en dehors de l’Europe, avec 2.6 millions de véhicules en tout Grâce à un marché en hausse, la quantité de véhicules vendus a augmentée de 3.1% par rapport à 2012 et Renault signe la plus forte croissance européenne avec une part de marché de 9.5 % En ce qui nous concerne, Renault est le leader européen, concernant la vente de véhicules électriques, avec près de 40% de part de marché

Pour rester compétitif et gagner des parts de marché, Renault prévoit un renouvellement massif de ses gammes à commencer dès l’automne 2014 avec la Nouvelle Twingo et le Nouveau Traffic Renault vise aussi une expansion internationale soutenue en continuant ce qu’il a commencé au Brésil, en Russie et en Inde Le marché de la Chine s’est ouvert récemment avec l’implantation à venir d’une usine à Wuhan Concernant l’Europe, Renault cherche à renforcer sa position sur le marché grâce à Dacia et souhait retrouver sa deuxième place, tout en renforçant sa compétitivité et

en augmentant ses synergies avec l’Alliance Au final, Renault ambitionne d’atteindre un chiffre d’affaire de 50 milliards d’euros avec une rentabilité pérenne, une marge opérationnelle de 5% du chiffre d’affaire ainsi qu’un cash-flow positif

Comme dans toutes les grandes entreprises, Renault est doté d’un organigramme qui s’étends largement Voici l’organigramme de la direction :

Figure 4 Organigramme de la direction de Renault

Le service E-MOBILITY se situe dans la direction DEA-IRE de VIRGINIE MAILLARD

Le siège social est toujours situé à Boulogne-Billancourt, mais le plus grand centre d’ingénierie se

situe à Guyancourt et s’appelle le Technocentre

DEA-IRE E-MOBILITY Frederic CANAL

CdS e-Mobility

Marek ABRAMCZUK Conseiller Scientifique Frederic AUZAS Réf.Capteurs à Technologie Magnétique Valerie BOCH Exp Energies Avancées &

Impacts Envir Vianney DU CHALARD DETAVEAU Analyste Essai/Prestation Fabien HEURTAUX

PI - Pile à combustible Philippe LEPAISANT

CP Intégration Batt.& Syst

Charge Rupt

Huy Hoang DAO Stagiaire Laurent LEVIN

Réf Actionneurs et Technologies Piezo Dominique LHOTELLIER Conseiller Scientifique Vedecom

Maxime MAKAROV Expert Envir./ Intègr Phys-.Chim.-Elect Frederic NOVEL-CATTIN Réf Calcul Bilan WtW & Filières Elect

Gerard OLIVIER CdP Dev Inno Mgt Therm Habitacle & GMP

DEA-IRM NEW MOBILITY DEA-IRI VEHICLE INTELLIGENCE

RENAULT INNOVATION SILICON VALLEY DE-IRB RENAULT LABORATORY CEA

B2 TECHNOCENTRE

Le Technocentre Renault est un centre de recherche et d’ingénierie ó sont conçues les futures voitures du groupe Renault Le site, inauguré en 1998, se trouve à Guyancourt dans les Yvelines, à 30km dans le sud- ouest de Paris et emploie près 12 000 personnes

Figure 5 Technocentre Renault

Réparti sur un vaste complexe de 150 hectares, à Guyancourt, près de Paris, le Technocentre Renault (TCR) regroupe et fédère la majorité des métiers de conception auparavant disséminés sur plus de 50 sites Une synergie efficace, permettant à Renault d’économiser le prix des transports et

de réduire ainsi le temps de conception d’un véhicule, tout en garantissant un maximum de synergies entre les différents corps de métiers

Le Technocentre, c’est 150 hectares de terrain, dont 100 hectares paysagers avec 12 000 personnes travaillant dans plus de 70 salles de réunion et de travail, se garant sur 10 000 places de parking et roulant sur 20 km de réseau routier

L’Avancée est le premier bâtiment du Technocentre Avec 74 000 m² de surface, on y retrouve les métiers du Design, les Avant-Projets, la Recherche et le Produit C’est là que les formes et les technologies de demain sont élaborées C’est aussi l’entrée visiteur du Technocentre

La Ruche est le cœur du Technocentre, elle s’articule autour de huit structures, sur une surface de

147 000 m², reliés par une immense nef de verre Elle peut y accueillir jusqu’à 5 projets en même temps La Ruche a été nommée ainsi, dans un premier temps à cause de sa géométrie et de la superposition des équipes, mais aussi à cause de la déclinaison des différents métiers de l’industrie qui s’y enchainent, propres à chaque projet

Le Diapason est le bâtiment regroupant la direction de la Qualité ainsi qu’un pơle d’essais et de synthèse

Les labos sont les bâtiments ó les matériaux sont testés et voient leur potentiel évalué Non seulement les matériaux métalliques, tels que l’acier ou l’aluminium, mais aussi d’autres matériaux, tels que le plastique, le verre,…C’est aussi là que s’effectue la recherche et l’expérimentation sur de nouvelles batteries

Le Proto est le bâtiment ó les prototypes sont réalisés, ainsi que l’expérimentation de l’outillage

Le bâtiment Laboratoire ó

je travaille

La Gradient regroupe les fonctions centrales industrielles et logistiques

Le Technocentre voit non seulement les futurs véhicules de la marque Renault naitre, à la suite de projets généralement longs de 2 ans, on y conçoit aussi les moyens de fabrication de ces nouveaux véhicules, en essayant de garder en tête l’abordabilité du prix final du véhicule

C Contexte du stage

La politique de Renault s’appuie sur trois axes stratégiques forts : « La mobilité durable », « Être une entreprise innovante » et « la mobilité pour tous » Renault a investi sur des travaux de recherches qui s’inscrivent bien sur ces trois axes

Le développement du véhicule électrique est une réponse à ces trois axes stratégiques par ses caractéristiques intrinsèques : écologique, innovant et économique

Ce choix étant fait, Renault a dû faire face à de nouveaux obstacles non rencontrés jusqu’à maintenant avec les véhicules traditionnels (développement de l’infrastructure de charge, cỏt du véhicule avec sa batterie, densité énergétique des batteries actuelles…) Dans ce cadre, Renault poursuit de nombreuses actions :

1 Investissement technologique avec son partenaire Nissan

2 Collaboration avec les différents pouvoirs publics et les fournisseurs d’énergie pour le développement de l’infrastructure

3 Partenariats avec des opérateurs de car-sharing à travers le monde

Les investissements qui portent sur la technologie visent à supprimer le principal frein au développement du véhicule électrique : son autonomie

Ainsi, plusieurs méthodes pour augmenter l’autonomie et optimiser la consommation d’une voiture électrique sont en cours d’expérimentation Dans le cadre de ce stage professionnel, l’étude se concentre sur la sensibilité aux paramètres physiques (hors stockage) d’un véhicule électrique comme : SCx, Masse, Rendement groupe motopropulseur, etc…

L’étude s’appuie sur des simulations numériques en dynamique longitudinale, réalisées à l’aide du logiciel AVL Cruise (code de calcul référence au sein de Renault) Les résultats de cette étude nous permettent de hiérarchiser les différentes solutions puis éventuellement de les combiner pour optimiser le ratio cỏt/valeur le plus intéressant au regard de l’autonomie augmentée

D Société AVL et logiciel AVL CRUISE

D.1 AVL

AVL est la plus grande entreprise indépendante au monde pour le développement, la simulation et

de la technologie de contrôle des groupes motopropulseurs (hybrides, moteurs à combustion, transmission, moteur électrique, batteries et logiciel) pour les voitures particulières, les camions et les gros moteurs AVL agit dans les champs d'activité suivants:

 Développement de Systèmes de Propulsion: AVL développe et améliore toutes sortes de systèmes de transmission et est un partenaire compétent pour le moteur et l'industrie automobile

 Simulation: En plus AVL développe et commercialise les méthodes de simulation qui sont nécessaires pour le travail de développement

 Instrumentation de moteur et systèmes d'essais: Les produits de ce secteur d'activité comprennent tous les instruments et les systèmes nécessaires pour le moteur et les essais

de véhicules

Figure 6 Logo d’entreprise AVL

D.2 AVL CRUISE

AVL CRUISE est une solution de simulation de système ou de véhicule entier Ce logiciel est utilisé par Renault pour le développement des véhicule conventionnels comme des véhicules électrique / véhicule hybride pour toutes sortes de condition client Le concept de ce logiciel permet l'intégration d'un composant défini par l'utilisateur dans le système d'ensemble du véhicule AVL CRUISE est le plus puissant, robuste et adaptable outil de l'industrie pour l'analyse des systèmes

de transmission de véhicule Le champ d'application couvre le bilan énergétique et l’analyse des performances du véhicule

Figure 7 Interface du logiciel AVL Cruise

E Étude de sensibilité paramétrique du véhicule électrique :

L’étude est réalisée sur les simulations du logiciel AVL Cruise L’évolution du bilan énergétique obtenue par variation d’un paramètre véhicule ou moteur permet de quantifier le potentiel de gain autonomie lié à ce paramètre

II L’AUTONOMIE D’UN VÉHICULE ÉLECTRIQUE :

A Définition de l’autonomie d’un VE :

L’autonomie d’un véhicule électrique est la distance qu’une voiture électrique peut parcourir après une charge complète L’autonomie dépend de nombreux paramètres : le modèle de la voiture, le comportement de conducteur ou encore les conditions météorologiques

Voici les facteurs qui diminuent l’autonomie d’une voiture électrique :

① La topographie: L’autonomie d’un véhicule électrique dépend du dénivelé des routes

empruntées Du fait de son autonomie limitée, la voiture électrique n’est pas adaptée à tous les publics et toutes les utilisations Elle est plutôt adaptée à une utilisation urbaine et péri-urbaine Néanmoins, la voiture électrique s’adapte à la majorité des trajets

② La vitesse : Plus on roule vite, plus on va consommer d’électricité

③ La climatisation, le chauffage et les éléments de confort : Le chauffage et la climatisation ont

un impact important sur l’autonomie d’un VE Selon les technologies et leur utilisation, ils peuvent réduire l’autonomie de 10 à 30 % [1]

④ La température négative (hors chauffage) : Les températures négatives impactent un peu

l’autonomie (environ 5%) [1] À froid, la densité de l’air plus importante augmente la résistance aérodynamique Dans le même temps, le frottement des pneus sur le sol devient plus important

⑤ Vieillissement : La capacité de Batterie Li-ion baisse un peu avec le temps (Renault garantit un

minimum de 80% de l’énergie initiale après 8 ans d’utilisation).

B L’autonomie de véhicule électrique de la gamme ZE :

L’autonomie moyenne des véhicules électriques commercialisés de la gamme ZE est actuellement

de 100 à 150 km en condition réelle de roulage client

Cette autonomie limitée vient entre autre de la capacité des batteries lithium-ion d’aujourd’hui, elle même limitée Il existe 2 axes pour augmenter l’autonomie des véhicules électriques :

1 Augmenter la capacité des batteries à ISO densité, mais cela a un impact considérable sur le prix des voitures, leur architecture et leur poids

2 Diminuer la consommation d’énergie du véhicule électrique

III LES PARAMÈTRES D’OPTIMISATION DE l’AUTONOMIE DU VÉHICULE ÉLECTRIQUE

Pour optimiser l’autonomie d’un véhicule électrique, soit on augmente la densité de batterie, soit

on diminue la consommation du véhicule électrique (pour vaincre les forces de résistance, le confort thermique…) L’étude se concentre sur l’effet des paramètres physique (SCx, la perte de GMP, pneus…) et sur certaines solutions technologiques (pompe à chaleur, pédale de frein découplée) visant à améliorer l’autonomie en diminuant l’énergie consommée par le véhicule

A Priorisation des postes de consommation : [2]

Ci-dessous, le poids énergétique des différents consommateurs selon la vitesse et la température pour une Renault Zoé:

En été (température ambiante de 20°C)

En hiver (température ambiante de -5°C)

Nota : Ces graphiques représentent la consommation à vitesse constante La consommation du confort thermique et des auxiliaires est indépendante de la vitesse du véhicule

B Les leviers physiques d’optimisation de l’autonomie

I Étude de l’effet aérodynamique (SCx) sur l’autonomie d’un véhicule

électrique :

Plus le SCx est petit, moins le véhicule électrique exerce de résistance à l’air S est la surface

frontale du véhicule et Cx est le coefficient de la traînée aérodynamique La diminution de SCx est

réalisée par 2 voies : soit on diminue surface frontale, soit on améliore la traînée aérodynamique

(forme du culot arrière, traînée refroidissement,…)

I.1 Effet du coefficient aérodynamique (SCx) sur l’autonomie sur 40 km Cycle Suburbain en été (température ambiante de 20°C) et en hiver (température ambiante de -5°C)

Récupération d’énergie : Pédale de frein découplée

Confort thermique : À 20°C : sans

À -5°C : Pompe à Chaleur (PAC) - Résistance électrique (CTP air) 1,8 kW Basse Tension

Méthode d’expérimentation :

Changement de SCx par pas de 0,05 entre 0,5 et 1

I.2 Effet du coefficient aérodynamique (SCx) sur l’autonomie sur 49 km

de Cycle Autoroute en été (température ambiante de 20°C) et en hiver (température ambiante de -5°C)

Récupération d’énergie : Pédale de frein découplée

Confort thermique : À 20°C : sans

À -5°C : Pompe à Chaleur (PAC) - Résistance électrique (CTP air) 1,8 kW Basse Tension

Méthode d’expérimentation :

Changement de SCx par pas de 0,05 entre 0,5 et 1

II Étude de l’effet du léchage sur l’autonomie d’un véhicule électrique : II.1 Effet du léchage sur l’autonomie sur 40 km Cycle Suburbain (Barcelone) en été (température ambiante de 20°C) et en hiver (température ambiante de -5°C)

Récupération d’énergie : Pédale de frein découplée

Confort thermique : À 20°C : sans

À -5°C : Pompe à Chaleur (PAC) - Résistance électrique (CTP air) 1,8 kW Basse Tension

Méthode d’expérimentation :

Variation du léchage par pas de 5 N entre 5 N et 20 N

II.2 Effet du léchage sur l’autonomie sur 49 km Cycle Autoroute en été (température ambiante de 20°C) et en hiver (température ambiante de - 5°C)

Récupération d’énergie : Pédale de frein découplée

Confort thermique : À 20°C : sans

À -5°C : Pompe à Chaleur (PAC) - Résistance électrique (CTP air) 1,8 kW Basse Tension

Méthode d’expérimentation :

Variation du léchage par pas de 5 N entre 5 N et 20 N

III.1 Effet du pneumatique sur l’autonomie sur 40 km Cycle Suburbain (Barcelone) en été (température ambiante de 20°C) et en hiver (température ambiante de -5°C)

Récupération d’énergie : Pédale de frein découplée

Confort thermique : À 20°C : sans

À -5°C : Pompe à Chaleur (PAC) - Résistance électrique (CTP air) 1,8 kW Basse Tension

Méthode d’expérimentation :

Diminution du coefficient de résistance au roulement par pas de -20% entre 0% et -80%

Reduction du coefficient de résistance au roulement

Bilan energétique ZOE selon l'effet du pneumatique à 20°C et à -5°C sur 40 km

Réduction du coefficient de résistance au roulement

Optimisation de l'autonomie selon l'effet du pneumatique à 20°C et à -5°C sur

Cycle Suburbain

à -5°C

à 20°C

Remarque :

+Sur Cycle Suburbain en été (température ambiante de 20°C), la diminution du coefficient de résistance au roulement de 20% permet d’améliorer en moyenne l’autonomie du véhicule électrique de 3,1%

+Sur Cycle Suburbain en hiver (température ambiante de -5°C), la diminution du coefficient de résistance au roulement de 20% permet d’améliorer en moyenne l’autonomie du véhicule électrique de 2,9%

III.2 Effet du pneumatique sur l’autonomie sur 49 km Cycle Autoroute

en été (température ambiante de 20°C) et en hiver (température ambiante de -5°C)

Récupération d’énergie : Pédale de frein découplée

Confort thermique : À 20°C : sans

À -5°C : Pompe à Chaleur (PAC) - Résistance électrique (CTP air) 1,8 kW Basse Tension

Méthode d’expérimentation :

Diminution du coefficient de résistance au roulement par pas de -20% entre 0% et -80%

Réduction du coefficient de résistance au roulement

Bilan energétique ZOE selon l'effet du pneumatique à 20°C et à -5°C sur 49 km

Réduction du coefficient de résistance au roulement

Optimisation de l'autonomie selon l'effet du pneumatique à 20°C et à -5°C sur

Cycle Autoroute

à -5°C

à 20°C

Remarque :

+Sur Cycle Autoroute en été (température ambiante de 20°C), la diminution du coefficient de résistance au roulement de 20% permet d’améliorer en moyenne l’autonomie du véhicule électrique de 2,4%

+Sur Cycle Autoroute en hiver (température ambiante de -5°C), la diminution du coefficient de résistance au roulement de 20% permet d’améliorer en moyenne l’autonomie du véhicule électrique de 3,4 %

IV Étude de l’effet Masse sur l’autonomie d’un véhicule électrique :

En diminuant la masse d’un VE, on peut optimiser son autonomie La Masse a un effet direct sur la Puissance de traction d’un véhicule (donc de dépense d’énergie) et indirect par l’effort vertical exercé sur les pneumatiques

IV.1 Effet Masse sur l’autonomie sur 40 km Cycle Suburbain (Barcelone)

en été (température ambiante de 20°C) et en hiver (température ambiante de -5°C)

Récupération d’énergie : Pédale de frein découplée

Confort thermique : À 20°C : sans

À -5°C : Pompe à Chaleur (PAC) - Résistance électrique (CTP air) 1,8 kW Basse Tension

Méthode d’expérimentation :

Le poids à vide du véhicule est réduit par pas de 50 kg entre 1496 kg et 1196 kg