Freinage régénératif

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Le freinage régénératif est un mode de freinage utilisé par certaines locomotives électriques, les ascenseurs et la plupart des véhicules électriques et des véhicules hybrides[1] ; il permet de convertir une partie de l’énergie cinétique en une autre énergie (par exemple électrique) pour ralentir ou arrêter le véhicule, plutôt que de la dissiper en pure perte.

Principe[modifier | modifier le code]

Par exemple :

  • utiliser la capacité des moteurs électriques à fonctionner en générateur : par exemple une machine à courant continu fonctionne en moteur lorsqu'elle reçoit son énergie d'une source d'électricité, mais elle fonctionne en générateur, (ou traditionnellement dynamo), si elle est entraînée mécaniquement. C'est-à-dire qu'elle est capable de fournir de l'énergie électrique à partir de l'énergie mécanique. Cette propriété est une généralité pour toutes les machines électriques, mais sa mise en œuvre est plus ou moins complexe selon le type de machine ;
  • utiliser la compressibilité d'un gaz, pour convertir l’énergie cinétique en énergie potentielle, dans un réservoir pour pouvoir l'utiliser plus tard[Note 1].

Locomotives électriques[modifier | modifier le code]

L'utilisation de ce mode de fonctionnement sur les locomotives électriques consiste, lors des périodes de freinage, à inverser le sens du couple à fournir par la machine électrique, soit par inversion du sens du courant inducteur, (cas d'une machine à courant continu ou d'une machine synchrone à rotor bobiné), ou du courant d'induit seul (cas d'une machine à courant continu), soit par inversion du sens d'alimentation des phases du stator (par inversion du sens du courant instantané dans les enroulements statoriques) dans le cas des machines à courant alternatif (machine synchrone à rotor bobiné, machine synchrone à aimants, machine asynchrone)[2],[3].

Ceci est réalisé par des convertisseurs électroniques de puissance configurés pour permettre, dans les phases de freinage, la conversion de l'énergie mécanique, provenant de l'énergie cinétique liée à l'inertie du mobile, en énergie électrique et son renvoi dans la caténaire quand cela est possible[4], sinon cette énergie est dissipée par effet Joule, dans des résistances ; il s'agit alors de freinage rhéostatique.

Véhicules routiers[modifier | modifier le code]

Articles connexes : Résistance au roulement et Aérodynamique.

Intérêt[modifier | modifier le code]

Efficacité énergétique des voitures en ville et sur autoroute (document DoE).

Pour les voitures thermiques, le DoE nous explique dans le graphique ci-joint que le rendement s'élève à environ 20 %. Nous y voyons que la part du freinage sur l'énergie mécanique utile s'élève à 6/13 soit environ 46 % en ville et 2/20 soit 10 % sur autoroute.

Pour les voitures électriques, le même DoE nous fournit une efficacité de 60 % entre le moteur et les roues.[5],[Note 2] (il faudrait toutefois tenir compte de la production d'électricité pour effectuer un bilan complet -voir Énergie grise énergétique).[réf. nécessaire]

Posons pour le rendement du moteur électrique
et pour la part du freinage en ville et sur autoroute.

Considérons enfin la part d'énergie de freinage récupérée. Théoriquement il peut atteindre jusqu'à 80 %[Note 3]. Ainsi au maximum, ce qui est déjà un très bon rendement par rapport à un moteur thermique classique.

Description des flux d'énergie.

Dans ces conditions, étant le flux d'énergie qui arrive au moteur électrique, le flux d'énergie perdu en freinage et le flux d'énergie récupéré, et nous aboutissons à un équilibre

d'où

Tout se passe comme si l'ancien flux d'énergie était remplacé par le nouveau

Le gain espéré s'élève alors à soit la multiplication du rendement du moteur électrique par la fraction de freinage et par le rendement de la récupération.

Plus la part de freinage est importante, meilleure est la récupération (c'est le cas en ville, mais pas sur autoroute). Plus le rendement entre le moteur électrique et les roues est important, meilleure est la récupération, Enfin, plus le rendement de la récupération est élevé, meilleure est la récupération.

Utilisation[modifier | modifier le code]

Sur les véhicules électriques le freinage régénératif est assez simple à mettre en place. C'est généralement la structure réversible du convertisseur électronique qui permet ce fonctionnement, ceci, aussi bien si le moteur est à courant continu ou à alternatif (synchrone ou asynchrone).

En formule 1 et sur certains véhicules de sport le système de récupération de l'énergie cinétique permet d'éviter de dissiper de la chaleur en pure perte et d'améliorer l'efficacité énergétique des véhicules.

Sur certaines automobiles hybrides électriques le freinage régénératif permet de recharger les batteries lors d'un ralentissement volontaire du véhicule. L'énergie récupérée peut être réutilisée par la suite, ce qui permet des économies de carburant.

Sur certains véhicules automobiles à air comprimé de l'air peut être comprimé lors du freinage pour servir comme réserve de puissance utilisable à l'accélération[6].

Sur certains vélos électriques le freinage régénératif permet de recharger les batteries embarquées[7].

Freinage dynamique[modifier | modifier le code]

C'est le fait d'utiliser la motorisation d'un véhicule en génératrice pour réduire sa vitesse. L'énergie capturée peut alors soit être stockée ou transmise à d'autres véhicules, soit être dissipée sous forme de chaleur (dans le cas de l'énergie électrique, c'est le freinage rhéostatique).

Cette technique est différente de ce qu'on appelle le frein moteur où c'est la structure du moteur qui est utilisé comme compresseur d'air[Note 4] pour dissiper de l'énergie et ralentir le véhicule[Note 5].

Domaines d'utilisation[modifier | modifier le code]

On trouve ce système sur des véhicules à batterie électrique (voitures électriques, automobiles hybrides, vélos à assistance électriqueetc., sur des engins ferroviaires, ainsi que des machines et engins divers (comme le chariot élévateur). Il permet de limiter l'usure de freins par friction mais aussi de récupérer une partie de l’énergie cinétique[Note 6].

Des freins à friction sont néanmoins utilisés en complément pour différentes raisons :

  • l'effet du frein dynamique se réduit plus la vitesse diminue ;
  • la quantité d'énergie cinétique que le système peut convertir en un temps donné est limitée et donc également la capacité de freinage ; de plus, dans le cas d'un freinage par récupération, une limite supplémentaire est imposée par le système d'alimentation (y a-t-il des demandes en énergie à ce moment précis ou pas ?) ou l'état de chargement de l'organe de stockage (s'il est plein). La présence d'un frein rhéostatique (pour l'énergie électrique) en plus du frein par récupération permet de conserver des capacités de freinage dynamique dans ces circonstances.

Lorsque l'effort de freinage est réparti entre les freins à friction et dynamique, on parle de freinage combiné ; dans le domaine automobile, le modèle EV-1 de General Motors était la première voiture commercialisée à utiliser un système de ce genre. Les ingénieurs Abraham Farag et Loren Majerski furent considérés comme les parents de ce « frein à commandes électriques » (Brake by wire).

Sur certains véhicules équipés de frein dynamique (sans récupération), la chaleur engendrée est utilisée pour le chauffage.

Énergie électrique (véhicules ferroviaires, routiers, et autres engins)[modifier | modifier le code]

Système de freinage dynamique sur le toit d'un tramway.

Le freinage électrique utilise la possibilité pour un moteur électrique d’être réversible et de pouvoir facilement agir comme un générateur. Le moteur est reconnecté (par l'ouverture et la fermeture de contacteurs, ou au travers de l'électronique de puissance) en tant que générateur pendant le freinage et sa production est connectée à une charge électrique (batterie, résistances ou autre véhicule[réf. nécessaire]). C'est cette charge sur le moteur qui fournit l'effet de freinage.

Ils sont utilisés dans les chemins de fer (l'électricité générée est renvoyée au système d'électrification ou dissipée dans des résistances). Sur les automobiles et les vélos, l'énergie est stockée dans une batterie ou une rangée de condensateurs pour une utilisation ultérieure.

Un exemple ancien de ce système est le frein à régénération d'énergie (Energy Regeneration Brake), développé en 1967 par Amitron. C'était un concept de voiture urbaine à batterie dont les batteries étaient rechargées par freinage régénérateur, augmentant ainsi l'autonomie du véhicule.

Quand l'entreprise ferroviaire C2c commença à utiliser le freinage régénérateur avec une flotte de trains type Bombardier Class 357, des enquêtes sur les deux premières semaines d'utilisation montrèrent une économie d'énergie de 15 %. Une économie de 17 % est affirmée pour les Virgin Trains de type Class 390. Il fut noté aussi une moins grande usure des composants des freins à frottement.

Le principal inconvénient des freins par récupération en comparaison avec les freins rhéostatiques est le besoin de faire correspondre assez précisément le courant généré avec les caractéristiques de l'alimentation. Avec une alimentation à courant continu, cela requiert que la tension soit précisément contrôlée. Avec des alimentations à courant alternatif, c'est seulement avec le développement de l'électronique de puissance que cela a été possible, car la fréquence doit aussi être respectée (cela s'applique principalement aux locomotives alimentées en courant alternatif et dont les moteurs sont à courant continu).

Un petit nombre de trains de montagne ont utilisé des systèmes d'alimentation à trois phases ou moteurs à induction à trois phases. Ces trains ont une vitesse presque constante car le moteur tourne suivant la fréquence de l'alimentation, aussi bien en traction qu'en freinage.

Utilisation dans les sports automobiles[modifier | modifier le code]

La FIA a autorisé pour la saison 2009 de Formule 1 l'utilisation de deux systèmes de récupération de l'énergie cinétique (SREC), l'un électrique, l'autre mécanique, de 60 kW chacun.

L'Automobile Club de l'Ouest (ACO), organisateur des 24 Heures du Mans et des Le Mans Series, a permis son introduction pour les LMP1 qui peuvent ainsi être équipées de système à récupération d'énergie cinétique depuis 2012[8].

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Voir l'article « véhicule à air comprimé ».
  2. Supposons que le moteur électrique, l'électronique de puissance et la batterie présentent un rendement de 90 %, cependant que le rendement de la chaîne cinématique est de 80 %. Dans ce cas nous aboutirions à un rendement entre moteur électrique et roues égal à 58,3 %, ce qui est très proche du chiffre de 60 % fourni par le DoE.
  3. Supposons que le moteur électrique et l'électronique de puissance présentent un rendement de 90 %, nous aboutissons alors à un rendement de 81 %. Pour atteindre un tel chiffre, le dispositif doit savoir très précisément quand il convient de récupérer l'énergie de freinage, ce qui relève de la gageure. La part récupérée sera alors plus faible, sauf peut-être dans le cas des cycles normalisés, pour lesquels les cycles de freinage sont parfaitement connus, ce qui n'est pas représentatif de la réalité.
  4. En supprimant d'arrivé de carburant.
  5. Plus le taux de compression et la taille du moteur sont importants et plus cette compression transformera l'énergie mécanique en énergie thermique qui sera évacuée par le circuit de refroidissement.
  6. habituellement perdue par dissipation de chaleur lors du freinage

Références[modifier | modifier le code]

  1. Production de l'électricité à partir du freinage régénératif, sur le site wehicles.com, consulté le 19 décembre 2014
  2. « Trains : du nouveau dans la récupération de l'énergie du freinage », sur ecoco2.com, consulté le 9 juillet 2016.
  3. « Limite du freinage régénératif sur le réseau SNCF », sur securite-ferroviaire.fr, consulté le 9 juillet 2016 [PDF].
  4. « Récupérer l'énergie au freinage », sur mobilicites.com, 8 juillet 2016.
  5. (en) fuel economy site web fueleconomy.gov
  6. « PSA Hybrid Air : des hybrides Peugeot et Citroën à air comprimé », sur challenges.fr, 23 janvier 2013, consulté le 10 juillet 2016.
  7. « Le freinage régénératif », sur twinburst.com, consulté le 9 juillet 2016.
  8. 24 Heures du Mans : vers du 100 % électrique en LMP1 ? - Julien Irondelle, Automobile Propre, 18 juin 2016

Articles connexes[modifier | modifier le code]