VEHICULES ELECTRIQUES, HYBRIDES ET A PILE A COMBUSTIBLEPartie 1: Moteurs et véhicules électriques

Pierre Duysinx

Université de Liège

Année Académique 2017-2018

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Références bibliographiques

R. Bosch. « Automotive Handbook ». 5th edition. 2002. Society of Automotive Engineers (SAE)

C.C. Chan and K.T. Chau. « Modern Electric Vehicle Technology » Oxford Science Technology. 2001.

R. Kaller & J.-M. Allenbach. Traction électrique. Presses Polytechniques et Universitaires Romandes. Vol 1 et 2. 1995.

Le véhicule électrique. Educauto. www.educauto.org

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Plan de l’exposé

Introduction

Historique

Traction électrique des véhicules routiers

Motorisation électrique

Moteurs DC

Moteurs AC asynchrones

Moteurs AC synchrones

Systèmes de stockage d’énergie

Batteries

Supercondensateurs

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Plan de l’exposé

Architecture de la chaîne de traction électrique

Motorisation électrique centralisée et distribuée

Moteurs et moteurs roues

Bornes de recharge électriques

Connecteurs

Communications

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Plan de l’exposé

Véhicules hybrides: définition et catégories

Véhicule hybride

Véhicule hybride électrique

Catégories: hybrides séries, parallèles, complexes, full et mild, charge depleting et charge sustaining

Piles à combustible

Principe de fonctionnement d’une pile à combustible H2 – O2

La pile réelle: rendement

Applications mobiles

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Introduction et historique

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Historique

1839: Robert Anderson (Aberdeen) construit la première voiture électrique

1870 : Sir David Salomon développe une voiture avec un petit moteur électrique et de grosses batteries. La vitesse et l’autonomie sont faibles.

Invention de véhicules électriques plus pratiques par l’américain Thomas Davenport et l’écossais Robert Davidson vers 1884. Les inventeurs utilisent des batteries non rechargeables

The first practical electric car may have been built by the English inventor Thomas Parker in 1884.

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Historique

L’inventeur français Gaston Planté invente un système de stockage d’énergie en 1865. Son ami et compatriote. Camille Faure améliore la capacité de stockage en 1881. Ces systèmes de stockage prépare le terrain pour les futurs véhicules électriques.

1890 – 1910 – Période d’amélioration significatives des technologies des batteries. H. Tudor invente la batterie acide-plomb tandis que Edison et Jungerinventent la batteries au Nickel Fer

Les véhicules électriques vont alors détenir tous les records jusqu’en 1900.

Bailey electric car powered by Edison’s

NiZn batteries8

Historique – Voiture électrique

1899 : La première voiture àdépasser le cap des 100km/h (105,88 km/h) estélectrique. Son nom : la«Jamais contente». Conduitepar le pilote belge CamilleJenatzy, elle est conçue enpartinium (aluminium laminé)et carrossée par Rothschild

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Historique

1899: Un constructeur liégeois, Pieper, introduit une « voiturette » 3,5 chevaux vapeurs dans laquelle le petit moteur à essence est couplé à une moteur électrique sous les sièges.

Dès 1905-1906 Henri Pieper crée les automobiles pétroléo électriques, premières voitures combinant une motorisation thermique avec un moteur électrique

Les brevets de Pieper sont utilisés par une firme belge Auto-Mixte (située à Nessonvaux), qui construit des véhicules commerciaux entre 1906 et 1912.

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Historique

1904: Henry Ford supprime les inconvénients de moteurs à pistons et commence la production en série de véhicules thermiques à des prix relativement bas

1913: Avec l’avènement du démarreur autonome (facilitant le démarrage des moteurs à pistons) le moteur à pistons balaie les véhicules à vapeur et les véhicules électriques.

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Historique

1913 : Ford vend 182.809 Ford T, une voiture à essence alors que les ventes totales de véhicules électriques tombent à 6.000 unités.

1920-1965: Période de sommeil pour la production de véhicules électriques et hybrides.

1966: Le Congrès américain introduit les premiers billets recommandant l’utilisation des véhicules électriques pour réduire la pollution urbaine.

1973: Premier choc pétrolier. Le prix du carburant qui monte ravive l’intérêt pour les véhicules électriques.

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Historique

1982: « All about Electric & Hybrid Cars ». Robert J. Taister souligne que les problème des batteries pourrait être résolus en installant une génératrice pour charger automatiquement les batteries lorsque la voiture est en descente.

1991: The United States Advanced Battery Consortium (USABC) et un département de l’Énergie démarre un programme pour produire des « super »batteries pour aboutir à des véhicules électriques viables. L’USABC investit $90 Millions dans les batteries NiMH qui peuvent faire trois fois plus de cycles que les batteries acide-plomb et peuvent travailler mieux dans des conditions froides.

1992: Toyota signe la « Charte de la Terre » pour développer des véhicules avec les plus faibles émissions possibles

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Historique

1997: Toyota sort la Toyota Prius au Japon. La vente lors de la première année est de 18.000 véhicules

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Historique

1997-1999: Quelques véhicules électriques produits par des grands constructeurs sont introduits en Californie (Honda Civic EV, GM EV1, S10 electric pick-up, Ford Ranger, Toyota RAV4 EV). En dépit de l’enthousiasme des quelques acheteurs, les ventes ne dépassent pas les quelques centaines d’unités. La vente des véhicules tout électriques est abandonnée en quelques années.

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Historique

1999: Honda sort la Honda Insight, le premier véhicule hybride vendu sur les USA.

2000: Toyota introduit la Prius I aux USA.

2002: Honda propose la Honda Civic hybride son deuxième modèle hybride. Il a l’apparence des Honda Civic ordinaire et le même plaisir de conduite.

Honda InsightPrius I Honda Civic 16

Historique

2004: La Toyota Prius II récolte de nombreux prix, dont celui de la voiture de l’année. A la grande surprise de Toyota, la voiture est vendue plus de 47 000 exemplaires la première année sur le marché américain.

2005: Sortie du Ford Escape, premier SUV hybride. Il est suivi de la sortie de Lexus RX400h, du Lexus GS300h etc.

Lexus RX400hToyota Prius II Ford Escape 17

Historique

2008: la crise financière frappe durement les constructeurs automobiles. Les aides des états sont largement conditionnées par la création de véhicules propres.

2008: L’achat de véhicules propres est largement subventionné. En Belgique remise de 15% sur les véhicules de moins de 99gCO2/km.

2012 : Contrairement aux attentes, les constructeurs se

lancent dans le développement de véhicules électriques purs.

2020 : Les véhicules hybrides attendent l’arrivée des

véhicules hybrides rechargeables à la prise pour réaliser effectivement des scores environnementaux plus favorables

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Historique: véhicules électriques

Renault Twizzy, Zéro, Fluence, KangooNissan Leaf

Smart EVMitsubishi Miev, Citroën C-zéro, Peugeot ion Tesla 19

Historique

Evolution des véhicules électriques vers des véhicules plus petits (catégories L7)

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Historique : Les cycles et quadricycles

Reva electric Zen car

Vélo électrique Scooter électriqueSegway

Renault Twizzy

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Historique: Hybrides plug-in

Opel Ampera Toyota Prius Plug-in hybrid

Imperia GP 22Volvo V60 Plug-in hybrid

Historique – Voiture électrique

2010: Sales and market forecast

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Historique – Voiture électrique

Vente de véhicules électriques (VE + PHEV) :Jusqu’à 26% des ventes de véhicules en Belgique en 2020 24

Historique – Voiture électrique

Forecast by ERTRAC strategic agenda

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Véhicules électriques

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Chaînes de traction électrique

Actuellement trois solutions de véhicules existent et se différentient par leur chaîne de traction

TRACTION ELECTRIQUE PURE

Montage sur véhicules légers de série, poids lourds, chariots élévateurs, tracteurs aérogares, tracteurs de bagages et deux roues…

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CHAÎNES DE TRACTION ÉLECTRIQUE HYBRIDE

TRACTION BI-MODE ou HYBRIDE PARALLELE

La traction thermique est utilisée hors des villes tandis que la traction électrique s’utilise en ville

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CHAÎNES DE TRACTION ÉLECTRIQUE HYBRIDE

TRACTION HYBRIDE SERIE

Le moteur thermique (à piston ou turbine à gaz) entraîne un groupe électrogène qui recharge en permanence un groupe de batteries.

Les batteries débitent sur un moteur électrique de traction

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Moteurs électriques pour véhicules routiers

Avantages:

Pollution directe nulle, application urbaine

Faibles émissions de bruit

Transmission très simple (pas de boîte de vitesses), régulation en vitesse et en effort

Récupération d’énergie au freinage

Grand couple à bas régime

Souplesse de fonctionnement

Solution idéale si alimentation possible (ex caténaire des trains)

Désavantages:

Poids et coût des batteries

Rayon d’action limité (200 km max)

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Moteurs électriques pour véhicules routiers Avantages

Parfaitement adapté à la circulation urbaine

Zéro Emission locale

Confort de conduite

Grande efficacité énergétique

Coût de l’énergie faible : 20 kWh/100 km

Désavantages:

Nouvelles habitudes des consommateurs

Temps de recharge (1 à 6 heures)

Autonomie entre 130 km et 200 km (fortement dépendante des conditions climatiques)

Offre limitée sur le marché

Durabilité et fiabilité toujours à prouverMercedes urban eTruck

Urban LightDuty eVehicle

Moteurs électriques pour véhicules routiers

Applications urbaines sont la première cible

Confort de conduit et efficacité

Zones basse émission

Système de livraison de nuit

Infrastructure de recharge en croissance mais toujours à développer:

Infrastructure de bornes publiques v.s. stations privées

Futures recherches:

Infrastructures de recharges par induction

Projet d’électrification des autoroutes par Siemens

Voiture électrique

Acide-Pb Ni-MH Zebra Li Supercap

Energie spécifique utilisable W.h/kg 15-20 60-70 90-100 110-130 3-5

Puissance spécifique W/kg 100-250 100-250 140-180 300-1000 @1000

Rendement charge-décharge % 60 80 85 85 95

Durée de vie estimée cycles 600 1200 1200 1200 1000000

Acide-Pb Li-ions Essence Diesel

Energie spécifique (W.h/kg) 17 110 12000 12000

Consommation du véhicule 25kW.h/100km 25kW.h/100km 8l/100km 6l/100km

Autonomie (km pour 100 kg) 11 73 1667 2008

Problème principal = les batteries!

Pas d’amélioration spectaculaire prévisible dans un proche avenir

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Les 6 défis des batteries Améliorer l’autonomie = augmenter

l’énergie et la puissance spécifique

Allonger la durée de vie

Raccourcir le temps de recharge

Rendre les batteries plus sûres et fiables

Abaisser le coût et économiser les matériaux

Organiser le recyclage

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Moteurs électriques

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Moteurs électriques

Principe de fonctionnement d’un moteur CC

𝐹 = 𝑖 𝑑𝑙 × 𝐵

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Moteurs électriques à courant continu

Principe de fonctionnement d’un moteur CC37

Moteurs électriques à courant continu

Principe de fonctionnement d’un moteur CC38

Moteurs électriques à courant continu

Avantages du moteur courant continu:

Technologie bien maîtrisée

Contrôle bien connu: pilotable en vitesse à partir d’une source continue

Rhéostat Modulation à longueur d’impulsion PWM

Utilisation des moteurs CC série sur les premiers véhicules électriques, tramways, etc.

Désavantage:

Usure des balais (carbone): remplacement après 3000 h de fonctionnement

Tension d’alimentation limitée

Puissance massique faible

Rendement médiocre (80-85%)

Perte au rotor: très difficiles à éliminer39

Moteurs électriques CC

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Électronique de puissance pour moteurs électriques CC

Principe de fonctionnement d’un hacheur de courant41

Électronique de puissance pour moteurs électriques DC

Le système est simple et économique

Le contrôle du hacheur est réalisé par un microprocesseur

La commande est généralement réalisée par ce qu’on appelle la Modulation de Longueur d’Impulsion (MLI en français ou PWM en anglais)

Une restriction majeure réside dans la température du moteur et de la batterie

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Moteurs électriques asynchrones AC

Principe de fonctionnement d’un moteur AC

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Moteurs électriques asynchrones AC

Courant triphasé

Avec le déphasage spatial des bobines, création d’un champ magnétique tournant à la fréquence d’alimentation

Si on pilote la fréquence du courant, on pilote la vitesse du moteur

Le couple du moteur provient du glissement entre le rotor par rapport au champs magnétique (effet de friction magnétique)

Intrinsèquement rendement inférieur à 100%

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Moteurs électriques asynchrones AC 3-f

Avantages

Prix (pas d’aimant au rotor)

Robustesse (rotor=cage d’écureuil, pas de balais)

Puissance massique (kW/kg)

Refroidissement externe (air ou eau pour éliminer les pertes au rotor)

Grande vitesse de rotation

Fiabilité excellente et maintenance faible

Inconvénients

Rendement plus faible que moteur à aimant permanents (PM motor)

Commande vectorielle du moteur (I,V,f) complexe et coûteuse

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Électronique de puissance pour moteurs électriques

Principe de fonctionnement d’un onduleur de courant46

Electronique de puissance pour moteurs AC

En traction électrique, l’ONDULEUR est un convertisseur continu-alternatif, qui permet d’obtenir trois phases de courant alternatif, décalée de 2p/3 (120°), de fréquence variable entre 0 et 50 Hz à partir d’un courant continu de batterie.

Ce type de convertisseur fait varier la fréquence et permet d’obtenir une vitesse de rotation variable.

Ce procédé possède une puissance et rendement correct à tout régime.

La fréquence fixe la vitesse de rotation tandis que la tension fixe le couple.

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Moteur AC synchrone

Historiquement les machines synchrones étaient utilisées comme génératrice

Plus récemment les machines synchrones s’imposent comme moteurs de traction dans les véhicules

Commande complexe nécessitant une électronique perfectionnée

Les moteurs synchrones conservent le principe d’un champ tournant créé par le bobinage statorique

Création d’une induction fixe au rotor

Soit par des enroulements

Soit par un aimant permanent

Le rotor tourne à la même vitesse que champ du stator

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Moteur AC synchrone

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Moteur AC synchrone

Création du champ rotorique

Aimants permanents (moteur synchrone à aimants permanents)

Rendement très élevé

Densités massique (3kW/kg) et volumique importantes

Fiabilité et maintenance semblable au moteur asynchrone

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Moteur AC synchrone

Création du champ rotorique

Aimants permanents (moteur synchrone à aimants permanents)

Commande délicate: démarrage, à-coups à bas régime

Possibilité de désaimantation en phase de fluxage et à haute température

Aimants permanents terres rares: accès aux ressources?

Exemples:

Néodyme Fer Bore (NdFeB)

Samarium Cobalt (SmCo)

Aluminium, Nickel, Cobalt (AlNiCo)

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Moteur AC synchrone

Moteur PM UQM 52

Systèmes de stockage

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Les batteries de traction

Acide Plomb:

Connues depuis 1900, maturité industrielle

Ni-Cd :

Connues depuis 1930, maturité industrielle

NiMH: seconde moitié du 20ème siècle

Similaire aux batteries NiCd, mais densités d’énergie et de puissance supérieures

Charge plus rapide

Standard industriel dans EV et HEV

Li-Ions: depuis 1990, en phase d’industrialisation

Intercalation d’ions Lithium tantôt à l’anode en carbone tantôt à la cathode en oxyde métallique

Meilleure densité d’énergie et de puissance

Requiert un contrôle précis de la tension (inflammation)54

Les batteries de traction

Critères de performance et de choix (par ordre décroissant d’importance):

Energie utilise spécifique (W.h/kg)

Puissance spécifique (W/kg)

Durée de vie: nombre de cycles charge / décharge

Coût spécifique

Rendement charge – décharge

Tension et encombrement

Recyclabilité

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Les batteries

Batteries Pb Acide Ni-Cd Ni-MH Zebra Li-Ions

Energie utilie spécifique [W.h/kg]

35-70 38 70-90 90-100 100-130

Puissance spécifique [W/kg] 100-400 79 200-400 200 200-400

Rendement charge – décharge [%]

80 65 70 85 85

Durée de vie [cycles] 500-1000 1200 750-1200 1200 1200

Coût spécifique [€/kW.h] 0,339 0,508 1,159 0,781 0,734

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Le problème des batteries

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Le problème des batteries

Carburant Essence Diesel Li-Ions

Énergie spécifique du carburant [W.h/kg]

11.833 11.667 105

Rendement moyen [%] 12 18 80

Énergie spécifique à la roue [W.h/kg]

1420 2100 84

Facteur 200!

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Supercapacité

Condensateur

= Condensateur électrostatique

Composant essentiel en électronique

Capacité ~ pF to µF

Super capacité à Double Couche Électrolytique (EDLC) or ultra / supercapacitors

Capacité ~ F – kF

Principe: double couche électrolytique de Helmotz

Très hautes capacités obtenue en minimisant la distance entre porteurs de charge et en maximisant la surface d’interface

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Supercapacité

Double couche électrochimique à

l’interface électrolyte -électrodes

Électrodes poreuses (charbon actif):

surface de contact électrolyte -

électrodes (A) plus élevée

(3000m2/g)

Distance d très courte entre les

charges opposées dans chaque

couche (de l’ordre de 0,3 à 0,5

nanomètres)

Mais tension de cellule assez faible:

1 à 2.5V

21

2

r AC

d

E CV

60

Supercapacité

Supercapacités

Absorption/restitution d’énergie à très grande vitesse: Densité de puissance ~ 1-10 kW/kg

Moins bonne densité d’énergie (< 10 Wh/kg)

Grand courant de charge / décharge : 1000 A

Grande durée de vie: > 100 103 cycles de charge décharge

Meilleures performances de recyclage

Les supercapacités se distinguent des autres classes de systèmes de stockage d’énergie comme les batteries

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Batteries – Diagramme de Ragone

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Coût d’investissement

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Effet de la profondeur de décharge

Les décharges profondes endommagent les batteries et diminuent significativement la durée de vie

L. Serraro, Z. Chehab, Y. Guezennec and G. Rizzoni, An Aging Model

fo NI-MH Batteries for Hybrid Electric Vehicles, IEEE VTS Vehicle

Power and Propulsion Conference, July, 2005.

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Effet de la température

En condition de froid sévère, le véhicule électrique peut perdre jusqu’à 50% de sa puissance

Puissance en fonction de la température d’après Steven Vance,

Parallel-Cell Connection in Lithium-Ion Battery, Kettering University

Senior Thesis, 12/08 65

Effet de la température

La batterie doit être finement régulée en température. Un fonctionnement à haute température dégrade fortement la durée de vie

D’après L. Serraro, Z. Chehab, Y. Guezennec and G. Rizzoni, An Aging

Model fo NI-MH Batteries for Hybrid Electric Vehicles, IEEE VTS Vehicle

Power and Propulsion Conference, July, 2005. 66

Chaîne de traction électrique

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Nécessité d’une boîte de vitesses?

Pour les moteurs à combustion, la boîte de vitesse est indispensable pour adapter les caractéristiques du moteurs aux conditions de fonctionnement (vitesse, couple)

Pour les moteurs électriques, la question semble maintenant claire: on peut travailler avec un rapport de réduction unique

Motivations: La grande plage de fonctionnement des moteurs

L’existence de contrôleurs électroniques pour faire varier le couple et la vitesse

L’absence de boîte conduit à un fonctionnement souple et doux

Les réducteurs planétaires permettent d’atteindre des rapports de réduction importants en un seul étage avec un bon rendement

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Architecture de la traction électrique

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Motorisation décentralisée

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Motorisation décentralisée

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Moteur roue intérieur

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Moteur roue extérieur

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Moteurs roues?

Moteur roue TM4

Motor wheel specifications in brief(other versions are available)Peak Power 80 kW 107 hpNominal Power: @950rpm 18.5kW (25hp)Peak torque 670 Nm 494 lb ftNominal torque @ 950 rpm 180 Nm (133lbft)Peak speed: 1385 rpmMax continuous speed: 1235 rpmEfficiency under continuous load @ 950rpm 96.3 %Maximum supply voltage 500 VDC

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Régime intermittent et continu

Une différence fondamentale dans le dimensionnement d’un moteur électrique et un moteur à combustion interne réside dans la distinction entre régime intermittent et régime continu ou permanent.

Le régime intermittent est relatif aux performances pendant un temps court. Il est dominé par la puissance maximum admissible du contrôleur de puissance.

Le régime continu est défini comme étant la sortie du système pour une période d’une demi heure au moins dans le cas des véhicules routiers. Il est limité par l’échauffement du moteur et la température maximale admissible.

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