SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Objectif : véhicule électrique... Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

La Démarche et si « j’organisais mon programme » de Physique Appliquée en Terminale STI Electrotechnique autour de la conception d’un véhicule électrique ? STI I Permet de traiter le programme tout en sensibilisant les élèves à la question des émissions de gaz à effet de serre Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Objectifs Montrer aux élèves qu’ils ont les connaissances pour concevoir un véhicule électrique. Accroître leur intérêt en matérialisant et en insistant sur la cohérence de leurs apprentissages. Attirer leur attention sur l’une des révolutions technologiques du 21ème siècle. Elaborer à terme un projet transversal : l’étude et la « construction » d’un Kart électrique. Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Plan L’effet de serre 2 3 4 1 Véhicules électriques ? Des solutions déjà prêtes ! Energie embarquée : Technologies actuelles et futures... Un véhicule électrique pour des élèves de Terminale... Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 1 L’effet de serre Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

L'effet de serre Absence de gaz à effet de serre Energies en W /m2 342 235 107 Energie solaire absorbée par la planète Rayonnement solaire réfléchi par l’atmosphère et le sol Energies en W /m2 Energie émise par la terre : rayonnement IR 235 - 19°C Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

« piégé » par les gaz à effet de serre ... Indispensable à la vie 195 324 Rayonnement thermique IR vers l’espace 492 40 452 « piégé » par les gaz à effet de serre Energie émise depuis le sol : rayonnement IR Directement émis vers l’espace 342 235 107 168 Energie solaire absorbée par la planète 67 Effet de Serre 14°C Energies en W /m2 Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Problèmes de santé publique Déficit alimentaire Problèmes de santé publique Appauvrissement Qualité de l’air dégradée Manque d’eau Dégradation Des sols Accentuation effet de Serre Déforestation Menacée Désertification Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Part des principaux gaz dans L’effet de serre est essentiellement dû à la vapeur d’eau. Les émissions humaines de vapeur d’eau sont négligeables face aux phénomènes naturels. l’effet de serre Vapeur D’eau H2O O3 CO2 CH4 et N2O Les gaz synthétiques fluorés HPC, PFC et SF6 ont une contribution négligeable à l’effet de serre Dioxyde de carbone (CO2), Protoxyde d’azote (N2O), méthane (CH4), hydro -fluorocarbures (HFC), perfluorocarbures (PFC) et hexafluorure de soufre (SF6). Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Emissions mondiales actuelles de Gaz à Effet de Serre (GES) En % du volume total de GES résultant de l’activité humaine CO2 CH4 N2O HFC, PFC, SF6 Les gaz à effet de serre n’ont pas tous le même Pouvoir de Réchauffement Global : PRG Le CO2 est, des GES émis, celui qui a le plus petit PRG PRG = 1 PRG = 25 298 de 124 à 22 800 CO2 : gaz qui a le plus contribué à l’augmentation du rayonnement vers le sol : + 1,66 W/m2 Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Température et concentration de CO2 Perturber la teneur en CO2 c’est perturber la température Augmentation en CO2 en 200 ans = + 35 % Cela s’est déjà produit… Mais en 100 000 ans !!! Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Evolution de la Température La température moyenne globale a augmenté d’environ 1°C en un siècle. X 4 Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Répartition des émissions en France de CO2 412 Mt CO2 Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 2 Véhicules électriques ? Des solutions déjà prêtes ! Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

PAC + batterie Lithium-ion Autonomie : 400 km Vitesse : 160 km/h. Problème N° 1 : réapprovisionnement en hydrogène Problème N° 2 : production de l’hydrogène par reformage à partir de méthane ou par électrolyse de l’eau. Toutefois réduction de 47% des émissions qui restent localisées. La première, produit du CO2 donc émission de GES. Toutefois avec des sources d’énergies renouvelables : éoliennes, panneaux solaires, hydraulique... La deuxième, consomme de l’électricité. Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Honda FCX Clarity Autonomie : 435 km Réservoir d’hydrogène : 171 L. PAC : 100 kW Moteur :100 kW (136 ch) Couple : 256 Nm Vitesse maxi : 160 km/h. Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Le véhicule tout électrique Energie embarquée : Batteries Lithium-ion : Venturi Fetish, Roadster Tesla… Batterie Lithium métal polymère : Blue car de Bolloré Super capacités : Zenn de Feel Good Cars Motorisation : 1 Moteur synchrone auto-piloté (puissance moyenne) 2 ou 4 moteurs : chacun une roue (faible puissance). La plupart des véhicules tout électrique ou à PAC sont conçus avec des accumulateurs lithium – ion. Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Energie embarquée... Les solutions actuelles 3 Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Les Batteries Lithium - ion a Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

La batterie Lithium-ion Différence de potentiel électrochimique entre les deux électrodes Si on ferme le circuit sur une charge alors : circulation d’électrons dans le circuit extérieur, désinsertion des ions Li+ à l’anode de graphite. à la cathode, e- et Li+ s’intercalent dans la structure de l’oxyde de métal En Générateur ddp > 3,5V e - i - + CDM : Anode de Graphite Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Electrolyte : Li PF6 + CDM Cathode Li M O2 M : Co, Ni, Mn Lithium : métal léger 530 kg/m3 Le plus réducteur de tous les métaux Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

La batterie Lithium-ion Le sens de circulation des e- est imposé par un générateur extérieur => les ions Li+ se désintercalent de la cathode et migrent vers l’anode. L’insertion ne crée pas de modification macroscopique => meilleure puissance massique et meilleure longévité. - + Anode de Graphite Cathode Li M O2 M : Co, Ni, Mn Electrolyte : Li PF6 + CDM Pour les équations bilans, l’intercalation d’ions revient à une réaction d’oxydoréduction e - i - + Anode de Graphite Li+ Li+ Li+ Li+ Electrolyte : Li PF6 + CDM Cathode Li M O2 M : Co, Ni, Mn Capacité théorique : 375 mAh/g Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Capacité réelle des batteries Li - ion Potentiel de l’anode en graphite en fonction de la capacité massique Qm. Le potentiel E a pour référence le potentiel du couple rédox Li+/Li Capacité irréversible Capacité réversible Q en mAh / g E en V 100 200 300 400 500 1 2 3 Première charge Première décharge Insertion « exfoliante » Passivation Première décharge : l’anode de graphite ne restitue pas tous les ions Li+ intercalés.  Il apparaît une capacité irréversible. Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Capacité irréversible Passivation La décomposition de l’électrolyte provoque le dépôt d’ une couche protectrice à la surface de l’anode. - Anode de Graphite Cette couche est imperméable à l’enveloppe de solvatation des ions Li+. provient de deux phénomènes qui ont pour origine la décomposition de l'électrolyte au cours du cyclage électrochimique ( charge – décharge). La passivation correspond à la formation à la surface de l’anode ( lors de la première décharge ) d'une couche compose principalement de carbonates et d'alkylcarbonates de lithium, issus de la décomposition de l'électrolyte ne réagit pas avec les ions lithium, Cette couche est : est imperméable aux autres composants de l'électrolyte. est une couche protectrice isolant le carbone du milieu électrolytique. Exfoliation dépend de l'électrolyte utilisé. Le carbonate de propylène (CP) conduit à une exfoliation beaucoup plus importante que des mélanges à base de carbonate d'éthylène (CE) tels que (CE/CP), ou (CE/CP/ CDM ou CE/CP/CDE) - CDM carbonate de diméthyle, CDE carbonate de diéthyle - Au cours des cyclages, elle finit par se désagréger partiellement : la conductivité, la cinétique et le nombre de cycles d’insertion diminuent. Couche protectrice de carbonate de lithium Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Capacité irréversible Exfoliation Avant la passivation, du solvant s’intercale. Anode de graphite Il subit une réduction + 10 % Cette réduction entraîne une émission de gaz provoquant l’ Exfoliation des plans graphitiques provient de deux phénomènes qui ont pour origine la décomposition de l'électrolyte au cours du cyclage électrochimique ( charge – décharge). La passivation correspond à la formation à la surface de l’anode ( lors de la première décharge ) d'une couche compose principalement de carbonates et d'alkylcarbonates de lithium, issus de la décomposition de l'électrolyte ne réagit pas avec les ions lithium, Cette couche est : est imperméable aux autres composants de l'électrolyte. est une couche protectrice isolant le carbone du milieu électrolytique. Exfoliation dépend de l'électrolyte utilisé. Le carbonate de propylène (CP) conduit à une exfoliation beaucoup plus importante que des mélanges à base de carbonate d'éthylène (CE) tels que (CE/CP), ou (CE/CP/ CDM ou CE/CP/CDE) - CDM carbonate de diméthyle, CDE carbonate de diéthyle - Au cours des cyclages, elle finit par se désagréger partiellement : la conductivité, la cinétique et le nombre de cycles d’insertion diminuent. Déformation A la charge, la structure cristalline est déformée. La succession des insertions provoque des déformations qui désagrègent le graphite : la conductivité, la cinétique et le cyclage diminuent alors. Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Substrat conducteur électrique cathode Batterie Lithium-ion réelle e- Joint Substrat conducteur électrique cathode Cathode périphérique Couche active Cathode e- Li+ + - Electrode bipolaire Séparateur Electrolyte Substrat conducteur électrique Couche active Anode anode périphérique Substrat conducteur électrique anode Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Evolution du potentiel au cours de la décharge Potentiel des électrodes / couple Li+/li 4 V 0,1 V Potentiel de l’électrode positive Potentiel de l’électrode négative Etat de charge de la batterie  Déchargé Chargé Les pertes dans l’électrolyte sont indépendantes de l’état de charge, donc Rint = cste, contrairement à l’accumulateur au plomb... La variation linéaire du potentiel en fonction de la charge de la cathode permet de contrôler l’état de charge de la batterie Li-ion Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Battery Management System En cas de surcharge l’électrode de cobalt fournit un surplus d’ions lithium avec un risque de surchauffe d’où un système de sûreté (BMS) onéreux : 25 % du coût de la batterie Raisons Le BMS coupe le courant : ·    si tension de charge > 4,2 V ·    si tension de décharge < 2 V ·    si courant de décharge > Max ·    si T > Max Chaque élément est contrôlé Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Des recherches multidirectionnelles Augmenter la capacité d’accueil des Li+ Réduire l’exfoliation Améliorer la vitesse d’insertion Sur l'anode : Le nano oxyde de Titanate de Lithium : intercalation sans déformation 9000 cycles (85%), Recharge : 80% en 1 mn et 100% en 10 mn « Petite » application : Puissance nécessaire pour recharger une batterie de 40 kWh en 10 min ( rendement chargeur = 96 % ) Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Recherches pour améliorer la quantité d’énergie stockée, la puissance disponible, la sûreté et le coût. Sur la cathode : Structure Capacité réelle Tension Mieux Moins bien Structure Lamellaire Li Ni0,5Mn0,5O2 110 à 120 mAh/g 4,08V Energie stockée Faibles coûts Sûreté   Oxydes de structure spinelle LiMn2O4  60 à 200 mAh/g 3,8V Puissance disponible Faible cyclabilité Temp. Structure olivine  Li FePO4 165 mAh/g 3,43V Sûreté  Cyclabilité Capacité irréversible Faible coût -30% Faible conductivité électronique Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Les Super - condensateurs b Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Les supercondensateurs Principe : Electrolyte : solution ionique non conductrice solvatée Condensateur C1 Condensateur C2 Sous l'influence d’une tension, distribution des ions de l'électrolyte au voisinage des électrodes + - + - e- - + A l’interface entre le conducteur et l’électrolyte, apparaît une capacité importante. Conducteur électrique Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Une supercapacité Sous l’effet d’une tension les électrons s’accumulent sur l’armature du condensateur Collecteur de charges Capacité d Le solvant joue le rôle de diélectrique moléculaire + - C = e. S d Le solvant est soumis à un champ électrique intense 10 kV.mm-1 . D’où limite en tension du condensateur à 2,7 V. Electrons ôtés à l’électrode positive Solvant diélectrique d = 0,2 nm Ion + de l’électrolyte La proximité des charges donne à la capacité une grande valeur : 0,1 F. m-2 < Cs < 0,3 F. m-2 Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Les supercondensateurs réels : Solvant : diélectrique entre les ions et les charges des électrodes La surface de contact électrode –électrolyte doit être la plus grande possible + - C = e. S d + - + - + - + - - + - + + C = e. S d - Collecteur de charges en aluminium C = e. S d Electrode Imprégnée d’électrolyte Membrane poreuse isolante Electrode Imprégnée d’électrolyte Electrode Positive Imprégnée d’électrolyte Electrode Négative Imprégnée d’électrolyte Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Les électrodes Des matériaux poreux de surface spécifique immense pour de grandes valeurs de capacité. Charbon actif : surfaces spécifiques 1000 m2.g-1 < S < 3000 m2.g-1 Qualité des tissus d Tissus activés : surfaces spécifiques 2000 m2.g-1. Fibres polymères calcinés, supérieures en densité d’énergie et de puissance au charbon actif, mais coût très élevé. Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Comparatif Pile À Combustible Batterie Li-ion Super condensateur Condensateur electrolytique Densité de puissance En W/kg 120 150 à 300 1000 100 000 < 100 000 Densité d’énergie En Wh/kg 1500 110 < 30 < 0,1 Faible car E = ½.C.V2 et V réduit Energie Massique en Wh.kg-1 Puissance Massique en W.kg-1 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 105 104 Condensateur électrolytique Super Condensateur Batterie Lithium - ion Pile à combustible Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE La Technologie de demain c Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Le Lithium Métal L’avenir est au passé : le lithium métal enfin maîtrisé... Batteries au lithium initiales : Lithium : métal léger (530 kg/m3) Le plus réducteur de tous les métaux Problème : Formation de dendrites Li métal Au delà d’une densité de courant très faible, la diffusion des ions n’est pas homogène => formation de dendrites => Réduction des performances et même destruction de la batterie. - + - + - + - + - + contact avec la cathode, point de fusion (180°C) atteint, réaction violente et émission de gaz brûlants. Abandonné après un grave accident, le lithium-métal prépare son retour... ( Batscap Bolloré-EDF, Sumitomo) Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Le film protecteur de Sumitomo Film solide electrolyte Li2S-P2S5 Collecteur d’électrons Anode Cathode Cathode Un film qui interdit la formation des dendrites Lithium Métal Electrolyte La densité d’énergie massique réelle est doublée par rapport à une batterie Li-ion . Film solide electrolyte Li2S-P2S5 Ion lithium LithiumMétal 0,5 mm 5 mm 10 mm Déchargée LithiumMétal 0,5 mm 20 mm 10 mm Chargée Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Des essais prometteurs Un film qui colmate ses fissures au cours des premiers cycles... Pas de dendrites Avec film protecteur Li2S – P2S5 Li Métal Sans film protecteur Li2S – P2S5 Dendrite Les premiers accumulateurs de ce type doivent être commercialisé au cours de l’année 2008. Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

L’association avec les super condensateurs Une complémentarité intéressante Puissance et cyclage (>100 000) avec les supercondensateurs - démarrage, - accélération, et autres opérations ponctuelles... Energie avec les batteries lithium ion ou métal : traction du véhicule Puissance Massique en W.kg-1 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 105 104 Energie Massique en Wh.kg-1 Des Super super - condo Super Condensateur Batterie Lithium - ion Lockeed Martin, 52kWh pour 200 kg, 1millon de cycles EEStor annonce des condensateurs révolutionnaires utilisant du titanate de Baryum comme électrolyte. Pile à combustible Condensateur EEStor Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Un véhicule électrique pour des élèves de terminale 5 Un véhicule électrique pour des élèves de terminale Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Une voiture électrique à moteur alternatif Commande Onduleur autonome MAS M S Batterie Pont redresseur Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Une voiture électrique à moteur à courant continu Commande Hacheur série MCC Batterie Hacheur parallèle Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Système de charge Réseau Transformateur Pont Redresseur Non Commandé Les systèmes de charge et les véhicules disposent de 2 types de connecteurs : Forte puissance : recharge rapide Faible puissance : recharge lente Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Pour l’an prochain ! Le Kart électrique « didactisé » Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Objectifs A partir des montages basiques du programme de Term STI : Réaliser la fonction nécessaire pour le kart En étudier le fonctionnement et les limites Pour les plus motivés, étudier comment améliorer le montage de base. Retrouver et étudier ce même fonctionnement dans un module optimisé remplissant la même fonction sur le kart Pour les plus motivés expliquer en quoi et pourquoi le montage optimisé est plus performant. Observer le fonctionnement du module en situation... Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE