Principaux avantages et problèmes de la révolution de l’e-mobilité

Avec la popularité croissante des véhicules électriques (VE), la technologie des groupes motopropulseurs électriques progresse rapidement et se généralise dans d’autres applications d’e-mobilité. On trouve traditionnellement des groupes motopropulseurs électriques dans les fauteuils roulants, les scooters et les jouets pour enfants. Cependant, la diversité croissante de ce type de solutions permet d’élargir leur application et de remplacer des moteurs à combustion interne (ICE) conventionnels dans de nombreux produits de mobilité grand public et industriels, tels que les scooters, les vélos électriques, les véhicules à guidage autonome (AGV) ou des machines industrielles légères comme les chariots élévateurs.

Cette évolution vers la généralisation des applications de groupes motopropulseurs électriques est appelée révolution de l’e-mobilité. Cette expansion s’accompagne de problématiques qui exigent une attention scrupuleuse des ingénieurs pour garantir la sécurité et l’opérabilité de ces solutions. Cet article se penche sur les avantages et les inconvénients de l’e-mobilité et des groupes motopropulseurs électriques dans ces applications.

Qu’est-ce que l’e-mobilité ?

L’e-mobilité, abréviation de « mobilité électrique », est un changement transformateur vers l’électrification des transports et des applications industrielles. Cette notion gagne en popularité en raison de sa durabilité, son efficacité, sa sécurité et ses avantages technologiques par rapport aux solutions de mobilité classiques. Les appareils d’e-mobilité peuvent être de petite taille (skateboard/hoverboard électrique, par exemple) ou très grands, comme des navires ou des équipements industriels.

Le concept de mobilité dépasse la question des véhicules personnels pour englober le développement d’infrastructures plus vastes, notamment les réseaux de recharge, l’intégration des énergies renouvelables, la technologie des réseaux intelligents et les infrastructures de recyclage. Les consommateurs, les industriels et les autorités publiques du monde entier adoptent et encouragent de plus en plus l’e-mobilité comme stratégie clé pour lutter contre le changement climatique, réduire la pollution de l’air et révolutionner le secteur de l’énergie.

Bénéfices et avantages de l’e-mobilité

Couple instantané et réactivité des performances

Les transmissions électriques, un des éléments clés des solutions d’e-mobilité, peuvent fournir un couple puissant avec une forte accélération et une grande réactivité. Bien que ce couple instantané soit généralement lié à davantage d’accélération, il est également extrêmement avantageux pour un meilleur contrôle de la traction. Ces avantages se traduisent par des performances et une sécurité améliorées dans des applications telles que les chariots élévateurs, les vélos ou les AGV.

Nuisances sonores réduites

Les véhicules à combustion interne classiques (ICE) sont considérablement plus bruyants que les solutions de mobilité électrique à performances égales. Par exemple, les voitures de Formule 1 dégagent environ 134 dB pendant la course, ce qui peut provoquer des lésions auditives. En revanche, les voitures de Formule E similaires ne génèrent que 80 dB, un niveau de bruit comparable à celui d’un réveil ou d’un aspirateur. Les applications d’e-mobilité peuvent être très avantageuses dans des environnements délicats ou réglementés tels que les chantiers de construction, les zones urbaines ou les environnements marins.

Efficacité énergétique

Les groupes motopropulseurs électriques ont un rendement énergétique nettement supérieur à celui de leurs homologues ICE. Les moteurs électriques peuvent convertir plus de 85 % de leur énergie électrique en énergie mécanique, tandis que les moteurs thermiques convertissent moins de 40 % de leur énergie chimique en énergie mécanique. Ce rendement énergétique est particulièrement intéressant dans des secteurs comme la fabrication et les transports, où les dépenses en énergie représentent une part importante des coûts d’exploitation. Dans d’autres applications, telles que la location de scooters partagés, c’est un facteur essentiel pour répondre aux besoins des clients et assurer une journée complète de transport avec une seule charge.

Durabilité environnementale

Les solutions d’e-mobilité offrent une solution alternative durable aux moteurs à combustion interne. Par exemple, les moteurs deux temps classiques rejettent des niveaux d’hydrocarbures très élevés, avec près de 5 500 ppm, par rapport aux 850 ppm rejetés par les moteurs 4 temps des voitures. Cette disparité a conduit l’Agence américaine de protection de l’environnement (EPA) à adopter des restrictions strictes sur les rejets des moteurs deux temps il y a près de 20 ans.

Les motos tout-terrain, les VTT, les UTV, les jet skis, les cyclomoteurs, les équipements pour pelouse et autres petits appareils de mobilité personnelle utilisent traditionnellement des moteurs deux temps en raison de leur rapport puissance/poids élevé et de leur faible coût. C’est ainsi que de graves problèmes de pollution sont devenus courants dans les pays en développement où ces appareils sont plus souvent utilisés.

Image : pollution de l’air visible dans la Ville bleue de Jodhpur liée à la grande quantité de véhicules à moteur deux temps

Les moteurs électriques, qui ne produisent aucun rejet, offrent ainsi une solution immédiate. Les solutions d’e-mobilité peuvent réduire directement le nombre de décès liés aux polluants et réduire considérablement les émissions de gaz à effet de serre dans ces applications. Cela en fait une mesure de durabilité environnementale viable dans le monde entier.

Problématiques des solutions d’e-mobilité

Limites des infrastructures

Les solutions d’e-mobilité reposent largement sur une vaste infrastructure électrique capable de répondre à la demande énergétique d’applications spécifiques. Pour les petits appareils d’e-mobilité grand public, cette demande est largement satisfaite via les infrastructures électriques domestiques standard. Mais dans les applications qui nécessitent d’importantes demandes d’énergie, telles que l’industrie manufacturière ou l’exploitation minière, l’infrastructure de recharge pour la mobilité électrique doit être suffisamment vaste et puissante pour répondre aux besoins.

Autonomie et durée de vie des batteries limitées

Malgré les progrès réalisés en matière de technologie de batterie et de gestion de la puissance, les solutions d’e-mobilité ont une portée limitée par rapport aux carburants habituels. Des appareils tels que les navires ou les machines peuvent nécessiter des recharges fréquentes ou des capacités de batterie supérieures pour répondre aux exigences opérationnelles. Dans les applications à moteurs plus petits comme les scooters, les fauteuils roulants ou les vélos électriques, les batteries de rechange sont monnaie courante.

Heureusement, la sélection d’une tension et d’une composition chimique appropriées pour les batteries peut aider à optimiser les performances et l’efficacité des solutions d’e-mobilité. Différentes compositions chimiques offrent un ensemble de paramètres (densité énergétique, puissance de sortie, cycles de vie, stabilité thermique, énergie spécifique, poids, etc.) qui peuvent servir à configurer des conceptions de systèmes adaptées à des applications diverses. La figure ci-dessous montre différents types de compositions chimiques pour les batteries lithium-ion.

Convertisseur CC/CC isolé

Par exemple, les batteries au lithium NCA (abréviation de Lithium Nickel Cobalt Oxyde d’Aluminium) peuvent être utilisées pour certains types de véhicules électriques nécessitant des charges à puissance élevée sur la durée. D’autres véhicules électriques peuvent utiliser du phosphate de fer lithium (LiFePO4 ou LFP) en raison de leur stabilité thermique exceptionnelle et de leur longue durée de vie. Parallèlement, les batteries au lithium titanate (Li2TiO3) ou LTO sont thermiquement stables et ont une durée de vie encore plus longue, ce qui rend leur utilisation plus courante dans les petits groupes motopropulseurs électriques.

De plus, une sélection appropriée de la tension de la batterie et du matériel de contrôle peut contribuer à optimiser les performances de l’e-mobilité pour des applications spécifiques.

Convertisseur CC/CC isolé

L’utilisation de MOSFET à haut rendement et puissance élevée tels que le NTMFS5C404N d’Onsemi ou le IPT012N08NF2SATMA1 d’Infineon peut encore élargir la gamme des appareils d’e-mobilité, car ils présentent une efficacité et une densité de puissance plus élevées que celles des appareils classiques à base de silicium. Les MOSFET SiC autorisent la création de systèmes d’alimentation à tension plus élevée, ce qui améliore les performances et l’efficacité totale du système, étendant ainsi la portée des appareils et la durée de vie de la charge.

Coût initial

L’investissement initial requis pour refondre totalement l’e-mobilité, notamment pour les appareils individuels et l’infrastructure de recharge, est substantiel par rapport à celui des systèmes ICE. Les économies d’exploitation à long terme peuvent justifier les dépenses, mais le coût initial plus élevé peut décourager l’adoption dans des environnements financièrement limités tels que les secteurs à faible marge ou les pays en développement.

Pour les appareils individuels, l’utilisation de composants à plus haut rendement, tels que les derniers MOSFET à faible RDSon et les batteries lithium-ion LTO, peut contribuer à relever encore les coûts initiaux, mais ces dépenses peuvent être compensées par une meilleure stabilité des coûts à long terme et une prolongation de la durée de vie.

Sécurité et gestion thermique

En décembre 2015, la Commission américaine de sécurité des produits de consommation (CPSC) a émis des préoccupations suite à 12 incidents liés à des appareils de mobilité électrique ayant pris feu et causé des dommages importants. Ces 12 incendies étaient tous liés à des « hoverboards », un jouet de mobilité électrique grand public à deux roues auto-équilibré, alors très en vogue.

Les hoverboards sont rapidement devenus indissociables de leur réputation d’inflammabilité spontanée. En juillet 2016, plus de 60 incendies d’hoverboards avaient été documentés, causant plus de 2 millions de dollars de dégâts matériels. Étonnamment, aucun de ces incendies n’était lié à une quelconque utilisation inappropriée. Ces appareils s’enflammaient spontanément alors qu’ils n’étaient pas en cours d’utilisation, prenaient feu pendant une opération de recharge ou surchauffaient et brûlaient pendant leur utilisation.

La norme UL 2272 pour la sécurité des appareils personnels d’électromobilité a alors été créée pour que ces appareils respectent des normes de sécurité strictes. Les batteries lithium-ion contiennent des liquides électrolytiques hautement combustibles. C’est pourquoi les appareils d’e-mobilité doivent assurer une gestion thermique appropriée et prévenir les courts-circuits afin d’éviter les incendies. Une surveillance thermique, des systèmes de refroidissement et des circuits de protection sont tous impératifs pour rester dans des températures de fonctionnement sûres et prévenir les défaillances catastrophiques, telles que celles constatées dans les incendies d’hoverboard.

Encore une fois, une sélection appropriée de la chimie et des composants de la batterie est impérative pour garantir la sécurité de l’appareil. Certaines compositions chimiques de batterie sont plus stables thermiquement que d’autres, souvent au détriment des performances ou de la longévité. De plus, des dispositifs à haut rendement tels que les MOSFET SiC peuvent permettre d’abaisser la température de fonctionnement des convertisseurs, réduisant ainsi davantage le risque de surchauffe des appareils.

Une transition mondiale vers l’e-mobilité

L’évolution du paysage des groupes motopropulseurs électriques dans divers secteurs entraîne la révolution de l’e-mobilité. Bien qu’ils soient traditionnellement réservés aux appareils plus petits, les groupes motopropulseurs électriques offrent une solution moderne aux besoins des consommateurs et de l’environnement sur un large éventail de marchés de l’e-mobilité, notamment la mobilité des consommateurs, les machines industrielles et les transports.

Cela étant, bien que les solutions d’e-mobilité offrent une amélioration des performances, du rendement énergétique et de la durabilité environnementale, des difficultés continuent de limiter leur adoption. Une conception minutieuse et une collaboration étroite entre ingénieurs, consommateurs et autorités publiques peuvent stimuler l’adoption de l’e-mobilité et limiter l’impact environnemental de dispositifs historiquement toxiques. En tirant parti des progrès réalisés dans la chimie des batteries, la technologie des semi-conducteurs et l’intégration des systèmes, les consommateurs et le secteur industriel peuvent accélérer la transition vers une mobilité future plus propre et plus durable à l’échelle mondiale.

Voir les produits connexes

C3M0060065D

WOLFSPEED, INC MOSFET Afficher

Voir les produits connexes

1317

Adafruit Industries Batteries Afficher

Voir les produits connexes

ENC-180-48

Mean Well Enterprises Chargeurs de batterie Afficher

Êtes-vous sur la liste ?

Inscrivez-vous afin de recevoir des offres exclusives, des annonces de produit et les dernières nouvelles du secteur.