Stockage d'énergie par volant d'inertie pour bornes de recharge ultrarapide des véhicules branchables



L'équipe de recherche de ce projet est composée du Pr Maxime Dubois du département de génie électrique et de génie informatique de l'Université de Sherbrooke, ainsi que du Pr Jean Ruel du département de génie mécanique de l'Université Laval.

L'année 2012 a été une année charnière dans le développement des véhicules électriques. En effet, des modèles de voitures telles la Nissan Leaf, la Mitsubishi Miev, la Prius Plugin, la Chevrolet Volt ont fait leur apparition sur le marché automobile. En mai 2013, les ventes de véhicules branchables ont atteint la barrière des 100 000 véhicules vendus aux États-Unis. Au Canada, les ventes sont plus modestes et se chiffrent à environ 150 véhicules/mois, dont environ la moitié se retrouve sur le territoire du Québec. De manière générale, on peut affirmer que le secteur automobile a franchi une étape irréversible.

Actuellement, la recharge en énergie de ces véhicules se fait par l'intermédiaire de la connexion résidentielle à une prise régulière de 120 V, pour des temps de recharge variant de quelques heures à 24 heures selon les modèles de véhicule et    selon l'état de charge de leur batterie. Au cours des deux dernières années, une infrastructure de bornes de recharge publiques se met en place, avec une alimentation en tension de 240 V, qui permet de réduire ce temps de recharge. Toutefois, les temps de recharge de ces véhicules demeurent toujours considérablement plus élevés que de faire le plein d'un véhicule à essence.

Le contexte général du présent projet concerne le développement de bornes de recharge ultra-rapides, qui permettraient de recharger une Nissan Leaf en moins de 10 minutes. Une telle recharge ultrarapide exigerait un apport de puissance de  l'ordre de 200 kW provenant du réseau public d'électricité. Ainsi, pour le réseau public d'électricité, la multiplication de pointes de puissances visant à recharger un véhicule pendant une dizaine de minutes représente une problématique, qui peut être résolue en disposant, au point de recharge, d'une unité de stockage d'énergie qui pourra se charger lentement et se décharger très rapidement. Pour cette application, le stockage d'énergie par volant d'inertie est privilégié pour sa durabilité.

Ainsi, une roue est accélérée à des vitesses de l'ordre de 10000 – 20000 rpm, ce qui permettra de stocker suffisamment d'énergie pour recharger un véhicule, si la masse de la roue est suffisante. On doit ainsi coupler à l'arbre de cette roue à un moteur/générateur qui permet d'y injecter de l'énergie cinétique (moteur) ou encore d'en retirer (générateur).

L'élément principal étudié dans le cadre de ce projet de recherche concernait la réduction du temps d'autodécharge de cette roue en rotation. Avec des concepts habituels, la roue ralentira par elle-même à cause des frottements avec l'air ambiant et des frottements dans les roulements à billes qui habituellement maintiennent l'arbre de la roue en place. Pour augmenter ce temps d'autodécharge, les deux approches qui ont fait l'objet de ce projet de recherche sont 1) l'utilisation de paliers magnétiques pour la réduction des frictions au niveau de l'arbre et 2) l'utilisation de matériaux composites à base de fibres métalliques lourdes.

Pour la première approche, une topologie magnétique de centrage par palier magnétique hybride permet de minimiser les dissipations de puissance dans le dispositif de centrage de l'arbre. Toutefois, la commande électronique d'un tel centreur hybride représente un défi de taille, vu le comportement non-linéaire de ce type de centreur magnétique. Aussi, un second centreur magnétique purement passif à aimants permanents a été implanté conjointement à une butée mécanique verticale à pointe de rubis, ce qui élimine le besoin d'une commande électronique pour le centrage.

Pour la seconde approche, l'utilisation d'un matériau lourd pour le volant permet d'en augmenter l'inertie, augmentant d'autant la capacité de stockage de l'énergie cinétique. En utilisant une fibre d'acier eutectoïde dont la contrainte ultime est de l'ordre de 2000 MPa, on peut ainsi obtenir des densités d'énergie volumique comparables à celle des composites à base de fibres de carbone, mais à une vitesse de rotation 2 à 3 fois moindre. En réduisant la vitesse de rotation, on réduit les pertes par friction aérodynamiques ainsi que les pertes dans tous les autres dispositifs de centrage et de conversion de l'énergie.

Les objectifs spécifiques de ce projet ont donc été :

  1. intégrer mécaniquement les paliers magnétiques à polarisation hybride au volant d'inertie;
  2. développer une stratégie de commande et une électronique de pilotage destinés aux paliers magnétiques;
  3. intégrer les matériaux composites au volant d'inertie à coeur métallique.

Les résultats obtenus dans ce projet ont été les suivants :

  1. étude, construction et essais d'un centreur purement passif à aimants autour d'un arbre appuyé mécaniquement sur une pointe de rubis;
  2. étude, construction et essais jusqu'à 3000 rpm d'un volant d'inertie de 23 kg en acier dont l'arbre est centré par le biais des centreurs purement passifs;
  3. développement d'une méthode de caractérisation des forces d'un centreur magnétique;
  4. développement d'un procédé d'enroulement des composites à fibre d'acier eutectoïde;
  5. développement d'une méthode de caractérisation des composites à fibre d'acier;
  6. développement d'une circuiterie électronique permettant d'alimenter un centreur magnétique hybride;
  7. étude et développement d'une commande linéaire permettant de centrer un arbrestatique dans un centreur hybride.

Chercheur responsable

Maxime Dubois, Université Laval

Équipe de recherche

  • Jean Ruel, Université de Sherbrooke

Durée

2010-2013

Montant

232 925 $

Partenaires financiers

  • Fonds québécois de la recherche sur la société et la culture
  • Ministère du Développement économique, de l'Innovation et de l'Exportation

Appel de propositions

Réduction et séquestration des gaz à effet de serre