SREC

[scuderia57 0]

Sommaire :

• I. Histoire et Théorie
  
• II. Différents types de Srec
  
• III. Les systèmes autorisés en Formule 1
  
  
  
  
• 1. Le système Srec mécanique, à volant d'inertie.
  
• 2. Le système Srec électrique, à batteries.
  

IV. Applications numériques et remarques

V. Conclusions

I. Histoire et Théorie

Durant mes études, j'ai réalisé une explication entière du Srec en général, lors d'un exposé. Je vous en fais part rédiger à l'écrit.
Je n'entre pas dans les détails extrêmes, mais suffisamment pour pouvoir comprendre et approfondir facilement soi-même.
Je vous souhaite une bonne lecture. J'ai 'caché' pour plus de lisibilité, et afin de choisir la partie que vous recherchez.
Si vous jugez cela intéressant, alors peut-être que je vais continuer, sinon supprimez !


[*]1. Définition :
. Le SREC (Système de récupération de l'énergie cinétique), est un système de freinage qui récupère l'énergie cinétique lors de la décélération d'un véhicule.
Ce système permet de stocker cette énergie, et non de la perdre par chaleur.
Elle sera alors réutilisée. En anglais KERS : Kinetic Energy Recovery System.
. L'énergie cinétique (E = (m.v²)/2) est l'énergie que l'on emmagasine lorsque l'on prend de la vitesse.
Cette énergie est donc perdue au moins freinage ou ralentissement. Ce système a été déjà imaginé depuis longtemps et n'est pas nouveau.
Pour être plus précis et minutieux, ce n'est pas l'énergie cinétique même que l'on capture, mais l'énergie cinétique de rotation.
En effet, la SREC prend emmagasine l'énergie de rotation des roues.



[*]2. Histoire et Applications :

• Avant guerre (milieu XIXème..) : Srec à volant d'inertie utilisé.
  - Des tracteurs étaient accompagnés d’immense roue stockant l'énergie lors d'un freinage. (exemple(1))
  - Des centrales électriques étaient équipés d'un énorme volant d'inertie. Les centrales à vapeur étaient irrégulières à sa consommation.
  Afin qu'elle génère une énergie plus ou moins linéaire, le volant d'inertie stocke le surplus et libère son énergie lors du manque. (image(2))
  
• Industrialisation (années 50..) : Srec à air comprimé utilisé.
  - Quelques tramways ou locomotives, se propulsaient à l'air comprimé. Un système de Srec était aussi utilisé.
  
• Jusqu'aux années 2000 : Ce système c'est un peu perdu aux oubliettes. L'inconvénient était que le système encombrait plus qu'il était utile.
  Le retour de se système est surtout poussé par les idées montantes écologiques.
  
  
• 1999 : McLaren instaure un Srec hydraulique sur ses monoplaces en Formule 1. Le système fut refusé par le règlement et abandonné.
  
• 2009 : Premiers Srec autorisés en Formule 1. L'idée n'est pas si bien acceptée.
  En effet, le rapport poids puissance n'était pas intéressant, mais surtout le coût pour rechercher et développer.
  
• 2010 : Porsche 911 GT3, équipée d'un Srec électrique lors du 24h du Nürburgring.
  
• 2012 : Une monoplace, un Srec. La Formule 1 joue sur la récupération d'énergie.
  Et le Srec commence à arriver dans nos voitures, dissimulé sous un système « Stop&Start ».
  
• 2014 : Le règlement de la FIA, en Formule 1, encouragera l’hybride. La pitlane, sera traversé grâce à un moteur électrique.
  

[*]3. Théorie :
Le SREC a donc pour rôle de stocker l'énergie puis la libérer. Pour cela il faut passer par quatre étapes (schéma(3)) :

• D'abord pouvoir capter l'énergie cinétique lors du freinage.
  
• Ensuite pouvoir transformer cette énergie en une énergie capable d'être stockée.
  
• Après le stockage vient la libération de l'énergie. On verra que finalement, elle empreinte le même chemin.
  
• Puis enfin il faut pouvoir la restituer mécaniquement, pour propulser les roues..
  

[scuderia57 0]

[*]1. Srec à air comprimé :

• Je ne vais pas détailler cette partie, mais juste énumérer trois types de système. D'abord à air comprimé :
  
  
  
• Charge : Au lieu que les freins arrêtent les roues, l'énergie est utilisée pour comprimé l'air en poussant un piston.
  
• Stockage : Le pression de l'air de l'ordre de centaines de bar, dans des cuves.
  
• Décharge : Le piston libère la pression, engendrant des engrenages qui rendent l'énergie sous forme mécanique.
  

Utilisé : Dans le passé lors de l'industrialisation, dans des locomotives ou des tramways.

[*]2. Srec hydraulique :

• Idéalement, le système est semblable à celui à air comprimé. Si vous voulez plus d'informations voici quelques vidéos :
  
• Camion : Animation en 3D & BMW : Images des pièces
  
  
  
• Charge : Cette fois-ci au lieu d'une pompe pour comprimé l'air, on a une pompé hydraulique.
  
• Stockage : Accumulateur hydraulique.
  
• Décharge : L'énergie libérée, passe à nouveau par cette pompe, agissant comme un moteur.
  

Utilisé : Dans nos bus et nos camions de poubelles. BMW utilise aussi ce système.

[*]3. Srec magnétique :

• Enfin, je ne sais plus où j'ai lu cela, Ferrari aurait eu en projet une sorte de Srec magnétique :
  
  
  
• Charge : Grâce à l'utilisation de frein magnétique, le champ est récupérer par des bobines.
  
• Stockage : Le stockage serait, théoriquement, réalisé par des batteries.
  
• Décharge : On aurait alors un moteur électrique pour libérer l'énergie mécaniquement.
  Mais une autre possibilité, serait de renvoyé un champ magnétique grâce aux bobines, comme du triphasé...
  

Utilisé : Aucune donnée...
Inconvénient : Nous avons quatre conversions d'énergie : Mécanique > Magnétique > Electrique > Mecanique

Je ne m'avance pas plus sur cette partie. Les plus intéressants sont bels et biens les systèmes autorisés en Formule 1.
Dans ce cas, la FIA a autorisé deux autres systèmes : Le Srec à volant d'inertie et le Srec à batterie.
L'un est purement mécanique, l'autre se combine avec un moteur électrique. Voyons cela est détails.

[scuderia57 0]

1. Srec mécanique, à volant d'inertie :

• Charge : Un variateur toroïdal (CVT), sert d'embrayage entre l'essieu et le volant d'inertie.
  
  
• Stockage : Volant d'inertie (Flywheel). Un volant tourne dans le vide, gardant l'énergie (60 000 tours/minute)
  
• Décharge : L'énergie libérée par le volant d'inertie, repasse par le variateur pour être libérée sur l'essieu qui entraîne les roues.
  


• Utilisé : - Dans le passé, sur d'anciens tracteurs, où une roue les accompagnait pour régénérer l'énergie perdue.
  - Aujourd'hui plusieurs constructeurs s'y intéressent pour récupérer l'énergie du freinage.
  
• Animations : Vidéo simple de Volvo & Explication de la FIA. & Projet Williams 2009
  

*-----*

• A. Les pièces en détails
  
  
  
• 1. Le volant d'inertie :
  Caractéristiques :
  
  
  
• Tourne à 60 000 rpm, dans le vide.
  
• Poids : 24 à 40 kg pour un stock de 400kJ à 600kJ. (La F1 est limitée à 400kJ.)
  
• Puissance délivrée : 80 à 180ch pour 7sec. ( En F1 : 80ch pour 6,67s , modulable par le pilote.)
  
• Fabricants : Flybrid, Xtrac, Torotrack, SKF …
  
• Principe utilisé : . Vous connaissez nos petites voitures quand nous étions plus jeune ?
  Et en particulier, celle que l'on reculait et lorsqu'on la lâchait elle partait toute seule ? Voici le principe simple sous vos yeux.
  . Sinon un volant d'inertie est aussi utilisé dans nos moteurs thermiques.
  En effet, lorsque le piston remonte pour une nouvelle explosion, il met un certain temps, bien qu'elle soit minime.
  Un volant d'inertie est donc présent, pour « linéariser » la puissance dégagée par le moteur. (Même principe que notre centrale électrique à vapeur.)
  

Quelques mots : On remarque aussi l'épaisse couche de protection. Si le le volant d'inertie tourne trop vite il peu céder son axe de rotation puis éclater.
Proche de 100 000 tours par minute, il pourrait faire des dégâts et être dangereux d'où cette enveloppe.

2. Le variateur toroïdal :
Quelques mots : Notes : l'essieu relie les engrenages aux roues. Flywheel, est le volant d'inertie.

. Rapidement, le variateur toroïdal, est en fait un simple variateur comme sur les scooter.
Par définition, c'est une transmission indépendante alimentant petit à petit un composant.
D'un côté un disque relie l'essieu au variateur, de l'autre, un autre disque relie le volant d'inertie au variateur.
Entre les deux, deux composants relient les deux disques. C'est ce qu'on appelle des galets satellites. Ils sont en forme de tore et communique leur rotation.

. Le principe est très simple. Il sert de sorte d'embrayage doux. On se doute bien que l'énergie n'est pas libérée en un seul coup.
Surtout que l'essieu est à l'arrêt et le volant d'inertie à 60 000 tours par minute !
L'énergie est donc restitué petit à petit. On sait tous que lorsqu'un disque tourne, un point à l'extrémité du disque tourne plus vite que celui plus au centre.
C'est sur ce principe que fonctionne le variateur. Les galets se positionnent de façon à libérer l'énergie petit à petit jusqu'à la décharge complète du volant.

3. Conclusion : >Schéma bilan du Kers Volvo.

• B. Avantages
  
  
  
• Rendements très bons: Rendement charge = 70% & Rendement décharge = 90%
  
• Il n'y a aucune conversion d'énergie. Tout est purement mécanique.
  
• Le système agit rapidement et automatiquement grâce à des capteurs distinguant une décélération d'une accélération.
  
• S'il le système est utilisé par une de nos voitures en ville, nous verrons diminuer de 20% notre consommation.
  

• C. Inconvénients
  
  
  
• Plus le volant d'inertie est grand, plus il peut stocker.
  En revanche il devient nettement plus lourd et l'effet gyroscopique plus important.
  L'effet gyroscopique est la conservation du mouvement de rotation s'opposant au mouvement.
  C'est par exemple l'effet de la toupie. Elle tourne sur son axe, mais s'oppose à la force de mouvement : ici la gravité.
  Ainsi, dans un véhicule, si le volant d'inertie est chargé, les virages seront plus difficiles à réaliser. Un poids supplémentaire se ferait ressentir.
  
• Bien que le volant tourne dans le vide, il perd de l'énergie au cours du temps.
  Les frottements dû à l'axe se font tout de même sentir. Le volant perd donc de l'énergie stockée.
  Pour remédier à cela, et la garder au cours du temps, il faut opter pour une solution électrique : la batterie.
  

[scuderia57 0]

[*]2. Srec électrique, à batteries :

• Charge : Un moteur électrique permet de convertir l'énergie mécanique reçu en électricité. Le moteur joue le rôle d'une charge.
  
  
• Stockage : Batteries au lithium.
  
• Décharge : L'énergie libérée repasse par le moteur, qui cette fois-ci, joue le rôle de générateur. Il donne un soulagement au moteur principal.
  
• Utilisé : Un peu partout de nos jours. De nos constructeurs jusqu'au sport automobile.
  
• Animations : Vidéo simple de Red-Bull & Explication Auto Moto. & Explication F1
  

• A. Les pièces en détails
  
  
  
• 1. Batterie au lithium :
  Ce stockage, est en réalité, plus chimique qu'électrique. En effet, ce n'est pas une batterie électrique mais chimique, au lithium.
  Plus précisément, c'est une batterie lithium-ion (Li ion) qui est le plus couramment utilisé.
  Caractéristiques :
  
  
  
• Rendement : lors de la décharge : plus de 90%.
  
• Principe utilisé : Pour illustrer un peu le système, je vous ai affiché une image que j'ai trouvé sur internet. Si vous avez fait un peu de chimie...
  Le lithium est un atome. Jusque là, ça va. Sauf que dans l'électrolyse, qui est schématisé ci-dessus, ce sont des ions qui réagissent: Li+.
  Pour faire très simple, dans une électrolyse, on fait balader le Li+, qui est chargé positivement, entre une borne – et une borne +.
  Les ions se baladent et créent un courant électrique. Pour une batterie, c'est le courant électrique, qui met en marche l'électrolyse.
  En fonction du courant reçu, plus ou moins d'ions (Li+) circulent. Et si vous connaissez ce système, il y a toujours un dépôt.
  Vous commencez donc à comprendre globalement et très simplement ce système de 'batterie chimique'.
  Ce n'est qu'une pile de lithium (sous forme d'ions), qui est illustré. Sachez qu'une batterie entière, et surtout en F1, doit cacher beaucoup de choses.
  

Quelques mots : (Pour plus d'informations soyez curieux : Wikipedia+ Buchmann.ca

2. Moteur électrique :

Caractéristiques :

• Tourne à 36 000 rpm, dans le vide.
  
• Principe utilisé : Lors de la charge : il est comme charge face au moteur. Il s'oppose au mouvement de la monoplace.
  Lors de de la décharge : le moteur génère la puissance mécanique. Il devient générateur et soulage le moteur principal.
  

• B. Avantages
  
  
  
• L'énergie ne se perd pas lors du stockage. Seul, environ, 5% de l'énergie accumulée se perd en un mois, pour un grand-prix il ne devrait pas avoir de soucis.
  De plus, pour comparer au volant d'inertie : l'énergie perdue se compte en jours, voir en heures.
  
• L'énergie peut-être donc conservée sur une longue période.
  

• C. Inconvénients
  
  
  
• Haut voltage et forte intensité. Possibilité d'électrocution.
  La puissance délivrée pour propulser rapidement le véhicule est si grand, qu'elle engendre des grands nombres sur le courant ( P = UI).
  
• Les batteries prennent de la place pour un stockage médiocre. Le poids est toujours l'ennemi numéro 1.
  Mais on arrive à réduire leur encombrement comme sur une Ferrari ici.
  
• Il faut introduire un moteur électrique (36 000 tours/minutes). De nos jours on arrive à réduire celui-ci pour une puissance correcte.
  

[scuderia57 0]

[*]1. Freinage doux = meilleur rendement :
Si on prend un véhicule de 1 200 kg freinant de 100 km/h à 50 km/h (que l'on doit convertir en m/s );
Et sachant que l'énergie cinétique ce calcul par la formule ½mv² on a : ΔEc = 600 x (27,8²-13,9²) = 348 000 J.
Or un freinage est très court, la puissance que l'on doit stockée est donc énorme.

• 3 secondes : P = 116 kW (ou kJ par seconde)
  
• 10 secondes : P = 34,8 kW (= 348 000 / 10)
  

Ce que je veux vous faire remarquer : c'est qu'il ne suffit pas d'avoir une grande place pour stocker l'énergie.
En effet, le problème est surtout d'avoir la possibilité de stocker autant d'énergie brutalement en quelques secondes !


[*]2. Cas de la Formule 1 :
Disons qu'une monoplace a une masse de m = 650kg. Pour un énorme freinage de 300 km/h à 100 km/h, durant 3 secondes nous avons :

• v(1) = 300 km/h = 83,3 m/s & v(2) = 50 km/h = 27,8 m/s
  
• Ec(1) = ½mv² = ½*650*(83,3²) & Ec(2) = ½*650*(27,8²)
  
• ΔEc = Ec(2) – Ec(1) = 325*(27,8²-83,3²) = - 2 000 000 J. Energie perdue = 2 000 kJ (c'est tout ? ^^ ..)
  
• P = 2 000 000 / 3 = 667 kW
  

Conclusion: En un énorme freinage peut délivre près de 2MJ. Or la réglementation limite la stockage à 400kJ.
On remarque tout de suite que les capacités peuvent être énormes ! En revanche la puissance l'est aussi...

[scuderia57 0]

• 1. Avantages en Formule 1 :
  
  
  
• Favoriser les dépassements, ou au contraire, éviter de se faire doubler. Un vrai 'boost' existe.
  
• Économie, bien qu'elle soit minime, d'essence. 1,47 litres par Grand-Prix, au maximum !
  

2. Inconvénients en Formule 1 :

Le poids sera toujours l'ennemie numéro 1, dans beaucoup de domaines.

Le développement et l'amélioration, de cette technologie est coûteuse.

Les défaillances existent, ainsi que l'électrocution pour le système électrique.

3. Le règlement face à la réalité :

. La FIA, force la F1 à progresser vers l'hybride. En 2014, l'électrique prendra une nette place au sain du plus grand sport automobile.
Aujourd'hui, le règlement impose et recommande d'utiliser ses nouvelles façons pour avancer vers une nouvelle ère sans pétrole, ni essence organique.
Malheureusement, la puissance est limitée. Bien sûr, il faut bien une limite, mais à ce point, c'est trop, comme on l'a vu ensemble.
De plus, le développement est donc limité. Les capacités ne peuvent pas être améliorées.
Quel est donc le rapport, d'utiliser une technologie à développer, si c'est pour le limiter ?
Surtout que le KERS peut avoir un net avantage : l'économie d'essence.
Malheureusement, le système étant limité, seuls quelques millilitres sont économisés (1,47 L), sachant qu'une F1 est loin d'être peu consommatrice...