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Fonctionnement du freinage régénératif

Apparue il y a quelques années sur les autos thermiques conventionnelles, la récupération d'énergie au freinage (appelée régénération) devient aujourd'hui d'autant plus crucial que les autos hybrides et électriques se démocratisent.
Voyons donc les aspects fondamentaux de cette technique qui consiste donc à obtenir de l'électricité à partir d'un mouvement (énergie cinétique / force inertielle).

Principe de base

Le principe du freinage régénératif découle directement de la faculté particulière des moteurs électriques à être réversibles :

• Si j'injecte du courant dans le moteur il se met à fournir un travail (ici la rotation des roues). Cela revient à dire que si j'injecte de l'électricité dans les bobines du stator (partie externe) cela revient à créer un champ magnétique tournant qui va
  
• Si j'applique une force physique à ce moteur j'obtiens en sortie du courant (encore ici la rotation des roues, mais cette fois grâce à l'énergie d'une voiture lancée)

Si on faisait un analogie avec une voiture thermique, alors il s'agirait de produire du carburant avec le frein moteur.

moteur électrique en Travail

A gauche le moteur est au repos, aucun flux énergétique n'a lieu. A droite j'injecte du courant dans le stator, ce qui va induire une force magnétique tournante dans le stator qui va interagir avec le rotor pour le faire tourner (comme deux aimants interagissent entre eux)
La force magnétique dans le stator est ici obtenue par l'injection de courant dans le stator : je dépense de l'électricité



En mode Frein régénératif

Cette fois le rotor qui reçoit une force mécanique. Il va alors induire une force magnétique dans le stator qui va freiner le mouvement, et accessoirement générer du courant ...
La force magnétique dans le stator est ici obtenue par le mouvement du rotor (roues) : j'obtiens de l'électricité et un frein moteur

Mais pourquoi y a-t-il du frein ? La raison est lié à la force magnétique qu'on a tous pu expérimenter avec des aimants : les plus et les moins se repoussent et les opposés s'attirent. Dans le cadre du frein régénératif les + et - des rotor et stator vont interagir entre eux et se freiner mutuellement.

Exploiter l'énergie cinétique pour générer du courant ?

Frein régénératif voiture hybride

Le principe est largement connu et démocratisé mais je me dois de revenir rapidement dessus. Quand je traverse une bobine faite en matériau conducteur (le cuivre étant le meilleur) avec un aimant, cela génère un courant dans cette fameuse bobine. C'est donc ici ce que nous allons faire, exploiter le mouvement des roues d'une voiture lancée pour animer l'aimant et donc générer de l'électricité qui va être récupérée dans des accumulateurs (batterie donc). Mais si cela peut paraître basique, vous allez voir qu'il y a quand même quelques subtilités à connaître.

Frein régénératif voiture électrique

Régénération au freinage / décélération des autos hybrides et électriques

Ces autos étant équipées de moteurs électriques pour les propulser, il s'avère judicieux d'exploiter la réversibilité de ces derniers, à savoir que le moteur tracte si il reçoit du jus et qu'il fournit du jus si on l'anime mécanique par une force extérieure (ici une voiture lancée avec des roues qui tournent).

Voyons donc maintenant un peu plus concrètement (mais en restant schématique) ce que ça donne, avec plusieurs situations.

1) Mode moteur

Commençons par l'utilisation classique du moteur électrique, on fait donc circuler du courant dans une bobine qui est située près d'un aimant. Cette circulation de courant dans le fil électrique va induire un champ électromagnétique autour de la bobine qui va alors agir sur l'aimant (et donc le faire bouger). En construisant la chose astucieusement (bobine enroulée avec aimant rotatif à l'intérieur), on peut alors obtenir un moteur électrique qui fait tourner un axe tant qu'on lui envoie du courant.

C'est le "contrôleur de puissance" / "l'électronique de puissance" qui se charge de router et gérer les flux d'énergie électrique (il choisit d'envoyer ver la batterie, le moteur, à telle ou telle tension etc.), il a donc un rôle décisif puisque c'est lui qui permet que le moteur soit en mode "moteur" ou "générateur".

J'ai ici élaboré un schéma synthétique et simplifié de la chose, avec un moteur monophasé pour que ce soit plus facile à comprendre (un triphasé fonctionne sur le même principe mais les 3 bobines peuvent compliquer la chose pour rien, et visuellement c'est donc plus simple en monophasé).

La batterie fonctionne en courant continu mais pas le moteur électrique, d'où la nécessité d'onduleur et redresseur. L'électrique de puissance est un dispositif de routage et dosage du courant

2) Mode générateur / récupération d'énergie

En mode générateur on va donc faire le processus inverse, c'est à dire envoyer le courant provenant de la bobine vers la batterie.

Mais revenons à un cas concret, j'ai une auto lancée à 100 km/h grâce à un moteur thermique (consommation de pétrole) ou électrique (consommation de la batterie). J'ai donc acquis une énergie cinétique liée à ces 100 km/h, et cette énergie je souhaite la convertir en électricité ...
Pour cela, je vais donc arrêter d'envoyer du courant de la batterie vers le moteur électrique, logique je veux décélérer (le contraire me ferait donc accélérer). A la place, l'électronique de puissance va changer le routage des flux d'énergie, c'est à dire expédier toute l'électricité produite par le moteur pour l'envoyer vers les batteries.
En effet, le simple fait que les roues fassent tourner l'aimant provoque la génération d'électricité dans la bobine. Et cette électricité induite dans la bobine va de nouveau générer un champ magnétique qui va alors freiner l'aimant, et non plus l'accélérer comme quand on le fait en injectant de l'électricité dans la bobine (grâce à la batterie donc) ...
C'est ce freinage qui est liée à la récupération d'énergie et qui va donc permettre de ralentir l'auto tout en récupérant de l'électricité. Mais il y a cependant quelques problématiques ..

Si je souhaite récupérer de l'énergie en continuant de rouler à vitesse stabilisée (donc hybride), je vais donc faire fonctionner le moteur thermique pour propulser l'auto et le moteur électrique comme générateur (grâce aux mouvements du moteur).
Et si je ne veux pas que le moteur ne subisse trop de frein (à cause du générateur) alors j'envoie un peu de courant dans le générateur / moteur électrique).

Quand on freine, le calculateur répartit la force entre le frein régénératif et les freins classiques à disque, c'est ce que l'on nomme le "freinage combiné". La difficulté et donc d'éliminer tout à-coup et autre phénomène qui pourrait gêner la conduite (quand c'est mal fait la sensation au freinage est perfectible).

Problématique liée à la batterie et sa capacité d'absorption

La première problématique est que la batterie ne peut pas absorber toute l'énergie qu'on lui envoie, elle a en effet une limite de charge qui empêche qu'on ne lui injecte trop de jus d'un coup. Et quand la batterie est pleine le problème est le même, elle ne peut plus rien manger !
Hélas, c'est quand la batterie absorbe de l'électricité qu'il y a une résistance électrique, et c'est à ce moment là que le freinage est le plus fort. Donc plus on "pompera" l'électricité produite (et donc en augmentant la résistance électrique), plus on aura de frein moteur. Et c'est réciproque, plus vous ressentirez du frein moteur, plus cela voudra dire que vos batteries se rechargent (ou plutôt que le moteur génère beaucoup de courant).
Mais comme je viens de le dire, les batteries ont une limite d'absorption, et donc vouloir faire de gros et longs freinages pour recharger sa batterie n'est pas judicieux. Cette dernière ne pourra pas se l'approprier et le surplus sera jeté à la poubelle ...

Problématique liée à la progressivité du freinage régénératif

Certains voudraient se servir du freinage régénératif comme frein principal, et donc se passer définitivement des freins à disques qui sont énergétiquement mauvais. Mais le principe même du moteur électrique empêche hélas de pouvoir accéder à cette fonction.
En effet, le freinage est d'autant plus fort qu'il y a une différence de vitesse entre le rotor et le stator. Et donc plus vous ralentirez, moins le freinage sera puissant. En gros on ne peut pas immobiliser une auto avec ce procédé, il faut obligatoirement des freins conventionnels en plus pour aider à arrêter l'auto.

Avec deux essieux connectés (ici hybridation E-Tense / HYbrid4 PSA) dont chacun a un moteur électrique, on peut multiplier par deux la récupération d'énergie au freinage. Bien entendu, cela dépendra aussi du goulot d'étranglement du côté de la batterie ... Si cette dernière n'a pas un gros appétit il ne servira pas à grand chose d'avoir deux générateurs. On peut aussi citer le Q7 e-Tron qui a ses quatre roues connectées au moteur électrique grâce au quattro, mais dans ce cas il n'y a qu'un seul moteur électrique pour les quatre roues, et non deux comme sur le schéma (on a donc qu'un seul générateur)

3) Batterie saturée ou surchauffe du circuit

Comme nous l'avons dit, quand la batterie est pleine ou qu'elle reçoit trop d'énergie dans un temps trop court (la batterie ne peut pas être rechargée à une vitesse trop rapide), alors on a deux solutions pour éviter d'abîmer le dispositif :

• La première solution est simple, je coupe tout ... Avec un interrupteur (piloté par l'électronique de puissance) je coupe le circuit électrique en le rendant donc ouvert (je repends le terme exact). Le courant ne passe donc plus et je n'ai plus d'électricité dans les bobines, et je n'ai donc plus de champs magnétique. Résultat le freinage régénératif ne marche plus et l'auto est en roue libre. C'est comme si je n'avais plus de générateur, et donc je n'ai plus de friction électromagnétique qui vient freiner mes masses en mouvement.
• La deuxième solution consiste à aiguiller le courant, dont on ne sait plus quoi faire, vers des résistances. Ces résistances sont prévues pour ça et pour tout dire elles sont assez basiques ... Leur rôle est en effet d'absorber le courant et d'évacuer cette énergie sous forme de chaleur, grâce à l'effet Joule donc. Ce dispositif existe sur les camions comme étant des freins auxiliaires qui s"ajoutent aux classiques disques / étriers. Donc au lieu de recharger une batterie, on envoie le courant dans des sortes de "poubelles électriques" qui dissipe cette dernière sous forme de chaleur. Notez que ça reste mieux qu'un freinage à disque car pour la même intensité de freinage, on a moins de chaleur avec le frein rhéostatique (nom donnée au freinage électromagnétique qui dissipe son énergie dans des résistances)

Ici on coupe le circuit et l'ensemble perd ses propriétés électromagnétiques (c'est comme si je faisais tourner un bout de bois dans une bobine en plastique, plus aucun effet perceptible)


Ici on utilise le frein rhéostatique qui

4) modulation de la force du freinage régénératif

Il est de mise que les voitures électriques ont maintenant des palettes permettant de moduler la force de la récupération. Mais comment peut-on rendre le freinage régénératif plus ou moins puissant ? Et comment éviter qu'il ne soit trop puissant afin de rendre la conduite supportable ?
Et bien si en mode récupération 0 (aucun freinage régénératif) il me suffit de couper le circuit, pour moduler le freinage régénératif il faudra trouver une autre solution.

1. Contrôle de la résistance : Pour réguler la force de freinage, vous pouvez ajuster la valeur de la résistance électrique dans le circuit. Plus la résistance est élevée, plus la force de freinage sera importante, car elle limite le courant électrique circulant dans le moteur.

2. Contrôle électrique : Le contrôle de la résistance électrique peut être effectué de différentes manières, en fonction du système spécifique. Voici quelques méthodes couramment utilisées pour contrôler la résistance dans un frein réhostatique :

   • Variateur de fréquence : Certains systèmes utilisent un variateur de fréquence pour contrôler la vitesse du moteur et, par conséquent, la force de freinage. Le variateur ajuste la fréquence du courant électrique fourni au moteur, ce qui modifie la résistance dans le circuit.

   • Gradateur de tension : Un gradateur de tension permet de régler la tension électrique fournie au moteur. En réduisant la tension, vous augmentez la résistance et donc la force de freinage.

   • Commande électronique : Les systèmes modernes utilisent souvent des contrôleurs électroniques sophistiqués qui ajustent automatiquement la résistance en fonction des besoins de freinage. Ces contrôleurs peuvent prendre en compte des facteurs tels que la vitesse, la charge et d'autres paramètres pour optimiser le freinage.

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