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Quand votre prochain tracteur sera un Tesla
Examen des technologies
Image ref: https://www.deere.co.uk/ en/agriculture/future-of-farming/ Alessandro Mastellari
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Technical Specialist Wireless & Sensors, Avnet Abacus
L’industrie automobile s’achemine rapidement vers les véhicules électriques. Mais une autre catégorie de véhicules est également mûre pour l’électrification : les « engins mobiles non routiers » comme les désignent les régulateurs. Cette catégorie inclut les tracteurs et divers autres équipements agricoles ; les équipements de maintenance pour le parc municipal et immobilier ; les équipements de manutention et de transport de matériels et de marchandises ; les machines pour la construction, la sylviculture et l’extraction minière.
L’électrification de ces véhicules, machines et équipements pose un vrai défi, dans la mesure où ils présentent des cycles de travail plus variés que les véhicules électriques routiers, avec des contraintes mécaniques plus complexes, et qu’ils nécessitent souvent une puissance électrique beaucoup plus importante que les voitures de sport les plus rapides. Pour autant, la promesse de réduction des coûts énergétiques, d’augmentation de la productivité et de la fiabilité, mais aussi la nécessité de réduire les émissions, conduisent à une innovation rapide dans le domaine des engins mobiles non routiers.
Examen des technologies
La pollution et l’impératif climatique
L’UE a commencé à réguler les émissions des engins mobiles non routiers en 1997, s’attaquant d’abord à la pollution provoquée par les outils de jardin à moteur thermique, les machines agricoles, les trains, les bateaux de navigation intérieure et les engins de chantier. La législation antipollution de l’UE a depuis évolué, et sa forme la plus récente – baptisée Stage V –, stipule que les équipements vendus doivent désormais produire 97 % de particules en moins que les équipements similaires fabriqués avant 1997, et 94 % de protoxyde d’azote et d’émissions d’hydrocarbures en moins.
Le respect de ces normes signifie que les engins mobiles non routiers devront être équipés de technologies permettant de réduire les émissions polluantes, comme les catalyseurs d’oxydation pour moteurs diesel, les filtres à particules, les dispositifs de recyclage des gaz d’échappement et les systèmes d’injection common rail. Les moteurs de plus de 56 kW devront eux aussi être équipés de modules de réduction catalytique sélective pour réduire les émissions de protoxyde d’azote.
Ces systèmes seront complexes à mettre en œuvre et pourront induire une possible limitation des capacités, et donc de l’utilité, des véhicules sur lesquels ils seront installés. Certains observateurs notent également que, dans la mesure où les réglementations n’adressent pas explicitement les émissions de dioxyde de carbone, il pourrait y avoir des compromis peu favorables pour la santé, entre réduction des polluants atmosphériques et minimisation des émissions de gaz à effet de serre pendant le processus de conception des véhicules. Le rythme auquel les réglementations seront appliquées signifie également que les moteurs de certains engins mobiles non routiers particulièrement polluants pourraient rester en service jusque dans les années 2030.
Opportunités d’électrification de l’agriculture
L’une des réponses à ces exigences réglementaires est l’électrification des équipements agricoles. Un article de 2017 pour Rural Engineering, rédigé par une équipe de l’université fédérale de Lavras (UFLA), au Brésil, a fait le point sur les recherches dans ce domaine, et sur ce qu’il sera nécessaire de mettre en œuvre pour y parvenir.
D’après les auteurs, les tracteurs ayant parfois besoin d’offrir des niveaux de couple très importants, notamment lorsqu’ils utilisent des accessoires tels que les charrues, leurs spécifications de base sont souvent surévaluées pour les tâches quotidiennes. Ce qui réduit d’autant leur efficacité au quotidien – et ce qui les rend plus difficiles à électrifier. Il doit toutefois être possible de construire des tracteurs plus petits, capables d’opérer pendant une journée de travail de huit heures, à partir d’une seule charge de batterie. Le passage du moteur thermique au moteur électrique donnera également aux concepteurs la possibilité de modifier le système de transmission du tracteur. Une première étape serait la mise en œuvre de systèmes hybrides légers, avec lesquels un moteur électrique peut fournir une traction à faible vitesse et contribuer à délivrer un couple additionnel lorsque le moteur thermique le nécessite.
La question est également posée de l’installation dans ces véhicules de supercondensateurs, parallèlement à des batteries rechargeables, afin de fournir pendant une courte période un haut niveau de courant lorsque le moteur électrique a besoin de délivrer un couple très important. Cette approche comporte toutefois des inconvénients, compte tenu notamment de la relativement faible densité énergétique des supercondensateurs, de leurs dimensions et de leur coût. En revanche, leur aptitude à stocker et à décharger l’énergie devrait permettre de réduire la contrainte imposée aux batteries, prolongeant ainsi leur durée de vie opérationnelle.
En termes d’électrification, les engins agricoles sont confrontés aux mêmes problématiques énergétiques et économiques que l’industrie automobile. Et il reste un défi à évoquer : la capacité
à fournir des niveaux importants de puissance de charge dans un environnement rural. La réponse évidente – mais coûteuse – consiste à utiliser des panneaux photovoltaïques et des batteries de stockage afin d’établir des réserves d’énergie pendant la journée, qui seront ensuite utilisées pour recharger les batteries des véhicules pendant la nuit.
Cela demanderait toutefois des contrôleurs sophistiqués pour bénéficier au maximum de l’énergie solaire, ainsi qu’une électronique de puissance efficace pour charger les batteries des véhicules.
Une expérience hybride
Une équipe de l’université de Padoue, en Italie, et l’équipementier agricole Carraro Agritalia, ont lancé en 2019 une étude de faisabilité portant sur des versions électriques des petits tracteurs utilisés dans les vergers et les vignes. L’une des raisons de cette étude étant que les systèmes additionnels de contrôle des émissions réclamés par la réglementation Stage V pour les engins mobiles non routiers pourraient occuper tellement d’espace que même les petits tracteurs ne pourraient pas travailler dans les rangées étroites des vergers. L’équipe a opté pour une architecture hybride légère, de manière à ce que le tracteur puisse répondre à la diversité des charges de travail, allant des conditions peu exigeantes jusqu’aux besoins plus intensifs. L’équipe à revu la conception de base d’un tracteur à moteur thermique 82 kW, en réduisant la puissance à 56 kW et en ajoutant un moteur électrique de 20 kW. Les deux groupes moteurs sont reliés en parallèle par un groupe hybride, avec débrayage additionnel, pour que le moteur thermique puisse être découplé et permettre de travailler uniquement avec la puissance électrique. L’étude montre qu’en mode de fonctionnement hybride, le moteur électrique peut compenser les pertes de couple dues à la réduction de puissance du moteur thermique. L’équipe a également constaté que le moteur électrique pouvait être utilisé seul pour des tâches légères, y compris la traction d’une remorque lourde à vitesse faible mais constante, pendant la période des récoltes ou des vendanges. Les chercheurs italiens ont proposé une conception de moteur électrique adapté à leur concept hybride, et ils ont noté que le circuit du contrôleur du moteur aurait à gérer les courants élevés nécessaires pour délivrer un couple maximum, et assurer la dynamique des demandes de service pour un couple instantané.
Carraro Agritalia développe maintenant les travaux sur lesquels a planché l’équipe universitaire. Sa page Web présente un tracteur équipé d’un groupe propulseur hybride léger qui utilise un moteur thermique 55 kW, un moteur électrique 20 kW et un pack de batteries 25 kWh LiFePO4. Le passage à une motorisation thermique plus petite évite d’avoir à installer le convertisseur catalytique supplémentaire requis par la réglementation Stage V pour les plus gros moteurs, d’où un gain d’espace et une réduction des coûts.
Le groupe hybride de la société Carraro utilise également une transmission full powershift, basée sur un convertisseur de couple eTCH90 Long Drop, conçu pour être utilisé dans une large gamme de véhicules hybrides et tout-électrique. Carraro explique que son système hybride permettra de réduire la consommation de carburant et les émissions polluantes, de diminuer les coûts de maintenance grâce à la moindre utilisation du moteur thermique, et de réduire le bruit et les vibrations.
Examen des technologies
Examen des technologies
Quand votre prochain tracteur sera un Tesla
Au-delà d’une agriculture passée à l’électrique
Le tracteur constitue un bon exemple de l’évolution de la situation dans d’autres segments du marché des engins mobiles non routiers, avec des innovations induites à la fois par les opportunités et par la réglementation. Par exemple, certains fabricants d’équipements pour le BTP se tournent vers l’électricité dans la mesure où certaines villes se déclarent zones exemptes d’émissions, où les équipements traditionnels n’ont donc plus leur place.
Nombre de fabricants commencent leur parcours en remplaçant les moteurs thermiques par des moteurs électriques, ou en développant des versions hybrides de leurs engins les plus compacts. De nombreux innovateurs sont également confrontés à la rapidité de changement des cycles de travail des engins mobiles non routiers.
Une excavatrice peut rejoindre un chantier en consommant peu d’électricité, avant d’en utiliser beaucoup pour soulever et déplacer des matériaux, puis restocker de l’électricité quand son godet est repositionné en position de repos. L’excavatrice peut aussi avoir à fournir de la puissance mécanique pour actionner des équipements auxiliaires et des pompes de commande d’hydraulique, chacun ayant ses propres cycles de travail. La complexité de cycles combinés rend plus difficile le dimensionnement correct des unités d’alimentation pour offrir la puissance et le couple nécessaires aux tâches à accomplir, et pour contrôler le système résultant en obtenant une efficacité optimale.
Le défi que constitue le stockage de l’énergie pour les véhicules électriques mène à d’importantes innovations au niveau de l’architecture des équipements. Certains fabricants construisent par exemple des équipements avec des packs de batteries remplaçables à chaud. D’autres envisagent l’intégration de solutions de stockage de l’énergie, en ajoutant à leur concept des surcondensateurs et des accumulateurs hydrauliques. Il convient également de se rappeler qu’il existe une classe complète d’engins mobiles non routiers, tels que les chargeuses articulées utilisées pour l’extraction souterraine et éviter de polluer l’air ambiant, qui sont connectés en permanence au réseau électrique ou qui travaillent avec une combinaison de réseau et de batteries afin d’offrir une plus grande souplesse d’utilisation.
Un changement dans les pratiques de travail pourrait être nécessaire avec des engins de ce type, mais cela offre toutefois une liberté conceptuelle nouvelle pour tous ceux qui sont prêts à tirer parti de l’électrification comme opportunité de repenser radicalement leur offre.
Examen des technologies
Un article publié en 2021 dans le périodique Energies met en lumière d’importantes innovations dans d’autres domaines d’application des engins mobiles non routiers, avec notamment les balayeuses urbaines, les camions à ordures, les chariots-élévateurs lourds, les excavatrices, les rouleaux compresseurs, les pelles industrielles et les chariots tracteurs, entre autres. Bien que l’électrification complète pose un véritable défi dans de nombreux cas, ce sursaut d’innovations et l’opportunité d’utiliser cette dynamique pour repenser l’offre de produits, devraient se traduire par une extension rapide de l’électrification au-delà des seuls véhicules routiers.
Relais OMRON G8N PCB pour l’automobile
Le microrupteur subminiature étanche OMRON D2JW est équipé d’un contact crossbar en alliage d’or et d’un ressort hélicoïdal. Ce produit offre une longue durée de vie et un haut niveau de fiabilité du contact, dans une large gamme de température opérationnelle (-40°C à +85°C). Niveau de protection conforme à la norme d’étanchéité JIS et IEC IP67 (à l’exclusion des terminaux dans les modèles qui en sont dotés).
Le microrupteur D2JW est parfaitement adapté aux applications nécessitant un haut niveau de précision dans le temps, comme les machines industrielles et l’Internet des objets industriels.
CARACTERISTIQUES
• Etanchéité conforme à JIS et IEC IP67 (à l’exclusion des terminaux) • Large gamme de température (-40°C à +85°C) • Contact Crossbar en alliage d’or, avec ressort hélicoïdal. Durabilité et fiabilité.
APPLICATIONS
• Machines industrielles • IoT industriel
OMRON G8N, relais PCB subminiature pour l’industrie automobile. Très compact (largeur 7,2 mm), il permet des conceptions à haute densité. Malgré ses faibles dimensions il assure des commutations à puissance élevée grâce à la qualité du contact et à ses performances de dissipation thermique. Ce relais offre une durée de vie d’environ 100 000 opérations à 14 Vdc/25 A (verrouillage moteur). Le relais G8N est idéal pour les applications de contrôle des moteurs DC dans l’automobile (moteur de verrouillage de porte, moteur de lève-vitre, commande essuie-glaces, etc.) et commande des éclairages intermittents (indicateurs de direction ou warnings).
CARACTERISTIQUES
• Extrême compacité (7,2mm) permettant une conception à haute densité • Commutation haute puissance • Environ 100 000 opérations à 14 Vdc/25A (verrouillage moteur)
APPLICATIONS
• Commande des moteurs DC pour l’automobile (moteur de verrouillage des portes, moteur des lève-vitres, commande des essuie-glaces, etc.) • Commande des indicateurs de direction ou feux de détresse
OMRON D2JW microrupteur subminiature étanche
Relais OMRON G8N PCB pour l’automobile
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Capteurs de pression
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