Pres_Safran13Nov2012 [Mode de compatibilité]

Villaroche 13 Nov 2012 D Fraboulet

Etat de l’art Propulsion Electrique

D. Fraboulet et al. CEA tech

(Séminaire SPARCS Safran, VillaRoche, 13 Nov 2012)


Introduction

- Votre Objectif ?- Evaluation de la maturité technologique

pour la propulsion aéronautique, au-delà des démos type « Pipistrel Taurus G4»

- Inspiration pour innovation

- Rapide panorama des technologies électriques (Hors aéro) - Historique / État de l’art

- Secteurs applicatifs évoqués :- VE

- Hybrid System Drive- Tout électrique Batteries - hybrides thermiques électriques- PAC + Hydrogène- Moteurs Roue

- Trams / trains- Propulsion navale

La Jamais Contente (1899)2 x 25kW

Accus FulmenReccord à 105,98 km/h

Concept NASA N3X


Pipistrel Taurus G4 (state of the art in e-Aero ?)

• Winner of the Green Flight Challenge 2012 in Pennsylvania

– Endurance 2:45+– Range 400km+– Lift/Drag ratio 30:1

• Prototype, WingSpan 21.36m,– TOW : 1.5 Ton. – Pay load : 1500-1132 = 368 kg

• Electric motor and power control liquid cooled (water/Glycol)

- 150kW max power @ 5500rpm- 32kW @ 100mph cruise

http://www.sv-jme.eu/data/upload/2011/12/02_2011_212_Tomazic_04.pdf

Batteries�3x 30 kW, �520kg (>173 Wh/kg )�Li Polymer 325V, �Proprietary BMS


VE Hybrides Batterie/transmission/thermique

• Toyota Prius HSD :– ICE : moteur thermique (rpm grand, peu de couple)– MG1 : alterno-démarreur 22kW– MG2 : moteur-générateur 60kW– Moteurs Brushless (500-650V)

– génération II : 30-50% d’économie d’énergie– Batteries :

• Gen II : NiMH 1.3 kWh• Plug In : 4.4kWh (23km)

– Recharge en croisière / Freinage regénératif– Marche arrière électrique pure.

• Déclinaison Lexus 4x4 : plus de connexion mécanique entre train avant et arrière (3ième moteur MGR)

• Peugeot Citroen : Full Hybrid Diesel

• Volvo V60 : Batterie 12kW• Volvo FE 26 Tonnes :

– Moteur 120kW /Batterie Li-ion 5kWh

• Audi R18 eTron KERS 75kW (e-moteur réversible)– Vainqueur 2012 des 24h du Mans

S

C

R


VE Tout électrique,Batterie sans moteur Thermique

• Tesla Model S– Range 426km– Batteries 85kW– 200km/h max– À à 100km en 5,6s– 87,400 $

• e-Renault (Zoé)– Electrique 65/88 kW

• (synchrone à rotor bobiné, 220Nm)

=> SILENCE ON TOURNE !– Techno Batterie Li-Ion 22kW– Range 210km / Vitesse Max 135km/h– Temps de recharge (220V)

• 3kW 16A = 9heures• 22kW (triphasé 32A) = 1heure• 43kW (triphasé 63A) = 30 minutes• Quick drop = 3 minutes

– Offre commerciale location batterie (79€/mois)

– Infrastructure recharge

http://www.renault.com/fr/innovation/vehicule-electrique

15.700€7000€

21.300€ 15.000HT


Activité CEA sur les Batteries (DRT-LITEN)

Plateforme STEEVE

150 personnes 6000 m2 de locauxLigne pilote depuis début 2011

Extension des salles anhydres > 300m² Nouvelles installations (>1000m²)

Capacité de production 500 kWh/mois

D’après F. Le Cras Sept 2011 LITEN


Chevrolet VOLT (US) / Opel Ampera (EU)

• Moteur thermique générateur 110kW (1.4l)• NON connecté aux roues (uniquement range extender)• Performances max en pur électrique

• Batteries 16kWh / T shaped, liquid cooled• 2 moteurs électriques + épi-cycloïdal• Range

– 40-80 km electrique– 560 km avec extender

• Comparaison de consommation – Full electric (fluence) : 11,9 kW/100km– VOLT : 1.2l/100km (soit 11,8kW/100km?)– La comparaison dépendra éminemment du mode de

production

VE « vrai hybride » / « pas hybride » Batterie + « groupe électrogène » thermique


• Peugeot / GenePAC(CEA 2006)– PEMFC 80kW, rend 50%– Dec 2009 Proto : 307CC FC

• Range 500km• 4,5 kg H2 700bars• PEM GenePAC + Saft Batteries• Pas de commercialisation prévue

• Honda FCX Clarity– Commercialisation started in 2012

(Japan, california)– « Safety on top of Mind »

• Class B FC– Commercialisation 2014 ?

• Nombreux Bus « Hydrogène »– Ex : TATA Bus 2x 92kW (1050Nm)

• Green GT H2 aux 24h du Mans 2012– Moteurs 2x200kW / 12kg H2 – PEMFC (techno CEA) 300kW

• => Les véhicules sont prêts !

VE Hydrogène H2 hyperbare + Pile a Combustible

http://www.cea-technologies.com/articles/article/508/fr


CEA : PEMFC R&D: from nanomaterials to integrated s ystem

EPICEA System (2,5 kW)

System Integration

ZERO CO2 sail35 kW PEMFC10.5 kg H2 (350 bar)

80 kW GENEPAC Stack

23 kW FISYPAC Stack

Innovative stack design

Bipolar plates

Membrane Electrode Assemblies

Electrodes

Materials

D’après Th Priem Sept 2011 LITEN

Peugeot 307 EpureRange extender“GENEPAC 20” :PEMFC 23 kWH2 storage4.2 kg @ 700 barTank included: 150 kg

STORHY (2004-2008)Pressure: 700 bar32 l5,4 weight %


Sécurité HydrogèneEt

Réseau de distribution

Sécurité H2 : des frayeurs tenaces…• Selon Ford / Honda :

La Sécurité est supérieure sur véhicule H2

H2 gasoline

Réseau Hydrogène – Zones de développement avancées : Californie, Allemagne Norvège– Pas de complexe sécuritaire (stations H2 implantées en centre ville)

• LA priorité du JTI-FCH


e-Moteurs : l’intégration ultime

• « Active Wheel » Michelin (et CEA)– 55kW, 58Nm (par roue)– Concept car Volage

• Hydroquébec et TM4– Proto BMW PML (UK)

• 640ch, 0 à 100km/h en 4.5s, • 240km/h en pointe, • 350km d’autonomie par batterie Lithium Polymère, super capacités • petit moteur thermique de recharge 20kW

• SIM Drive (Japon)Production annoncée 2013


• Dès 1970 : BB 67 000 = « vrai Hybride » !• TGV A (1972)

– 6450kW (12X538kW) moteurs CC– Alternateur 6 pôles 300A – Redresseur pont 24 diodes

• Alstom AGV (2012 pour ITALO)– Rame à propulsion répartie– Onduleurs IGBT– Moteurs synchrones à aimants permanents– Jusqu’à Quadricourant

• 25kV 50Hz (TGV FR)• 1.5kV CC (autres FR)• 15kV 16,6Hz (DE)• 3kV CC (BE)

• TRAM Citadis (Alstom)– 700-900kW (4x175kW) 4550rpm– Onduleur IGBT OnIX– Alim 750V aérien, ou APS– Source à bord ?

e-prop en Ferroviaire


• Initié sur navires techniques et méthaniers

• Tendance lourde US NAVY• Généralisation en cours sur ferries et paquebots

• Propulsion électrique / e-PODS – Evite redondance des Diesels embarqués– Permet rotation Diesel accrue (600rpm) et donc

très forts rendements (>50%)– Facilite habitabilité navire (ferries)– Ajoute flexibilité d’utilisation– + de Maniabilité du navire (PODS)

• Moteur intégré dans l’hélice– Puissance (brises glaces)

• Acteurs commerciaux typiques :– PhiDRIVE Inpower (Norway)– Daihatsu Electro- Générateurs

• 6MW 12 cyl …85 Tonnes.– Des projets jusque 20MW au POD sont à l’étude

e-prop en Naval

Diesel Electro Générateur Daihatsu 12DK-36e : 6325 kW => 6000 kWe (95% de rendement de conversion).


Conclusion

• La propulsion électrique arrive à maturité commerciale sur des marchés à large diffusion (VE)

• L’Hydrogène est un vecteur crédible.

• Les ordres de grandeur en puissance des systèmes construits ne sont pas ridicules

• L’avionnabilité est un enjeu et reste un formidable défi

• Des tendances lourdes se dégagent, du fait même de l’intérêt/flexibilité de l’électrique

• Diverses leçons sont à tirer de ces évolutions pour des architectures de propulsion en aéronautique.

• La question de l’avion électrique n’est pas si cela est possible, mais jusqu’à quel type d’appareil.

• E-prop est donc possiblement un domaine de recherche très stratégique.

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