Vers un tracteur agricole tout électrique. Présentation et dimensionnement énergétique du « tracteur vert »

04/10/2018
Publication 3EI 3EI 2018-94
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-94:23546
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Vers un tracteur agricole tout électrique. Présentation et dimensionnement énergétique du « tracteur vert »

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Vers un tracteur tout électrique La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 16 Vers un tracteur agricole tout électrique. Présentation et dimensionnement énergétique du « tracteur vert » DANIEL MATT1 , NADHEM BOUBAKER2 , PATRICE RIOU3 (1). Institut d’Electronique et des Système, UMR CNRS 5214, Université de Montpellier. (2). Safran Electrical & Power UK, Pitstone. (3). Institut Mines-Télécom, Alès. 1. Introduction L’article décrit les grandes lignes du dimensionnement énergétique et de la réalisation d’un démonstrateur de tracteur vigneron électrique interligne [1]. Cette réalisation, fruit d’une collaboration entre organismes publics et fédérations professionnelles, a pour but de montrer la faisabilité d’un engin tout électrique apte à remplacer son homologue thermique dans une démarche cohérente d’agriculture « bio ». Dans ce contexte, une des principales utilisations du tracteur réside dans de nombreux labours destinés au désherbage. Nous nous sommes basés sur cette tâche pour le dimensionnement ; pour le compléter, nous montrerons que d’autres outils conventionnels, très énergivores, doivent être repensés pour pouvoir être utilisés en électrique. 2. Energie embarquée Une étude effectuée par l’Institut Français de la Vigne et du vin, avec un tracteur équipé d’un débitmètre, a permis de quantifier le besoin énergétique d’un tracteur vigneron en fonction du matériel attelé. Pour la plupart de ceux-ci, et notamment le cadre de travail du sol qui nous intéresse, la consommation de gasoil est de l’ordre de 8l/h. Ceci équivaut à une puissance moyenne restituée aux roues de 17 kW Figure 1 : aperçu général du tracteur vert Dans sa version de base, le tracteur conçu est entièrement électrique. Pour le dimensionnement de la batterie d’accumulateur, nous avons estimé qu’il était inutile d’embarquer l’équivalent énergétique d’une journée de travail, le choix a donc été fait d’installer deux racks-tiroirs, facilement extractibles, stockant chacun 40 kWh, permettant quatre heures de labours. Pour terminer une tâche, il convient de remplacer les racks par des racks chargés ou par un « prolongateur d’autonomie » (groupe électrogène), ou d’effectuer une charge rapide (une heure avec un chargeur de 80 kW). Le choix de la tension de fonctionnement est aussi crucial. A l’opposé de ce qui se pratique dans l’automobile, nous avons opté pour un dimensionnement à très basse tension, soit 75V (limite de la directive européenne « basse tension »), facilitant l’homologation, l’intervention sur le véhicule et le choix des convertisseurs d’alimentation des moteurs. Résumé : Les En agriculture « bio », les traitements chimiques sont remplacés par le travail mécanique de tracteurs à motorisation thermique. C’est notamment le cas pour le désherbage qui nécessite de longs passages d’outils de sol, engendrant des émissions polluantes en contradiction avec le concept de développement durable. Compte tenu du développement intense (+5% par an environ en France) des filières « bio », il est devenu urgent d’étudier l’électrification des engins agricoles. Nous présentons ici le résultat de notre étude de faisabilité, avec la réalisation d’un démonstrateur, fruit d’une collaboration entre différentes institutions publiques et fédérations de vignerons. Le tracteur que nous présentons est le premier réalisé dans le format vigneron interligne. Abstract: In organic farming, chemical treatments are being replaced by the mechanical work of diesel engine tractors. This is particularly the case for weeding, which requires long passages of soil tools, generating pollutant emissions in contradiction with the concept of sustainable development. Given the intense development of organic sectors, it has become urgent to study the electrification of agricultural machinery. We present here the result of our feasibility study, which led to the realization of a demonstrator, result of collaboration between various public institutions and federations of winegrowers. The tractor that we present here is the first to be made in the interline vineyard format. Mots clés : véhicule électrique, tracteur vigneron, dimensionnement énergétique d’un véhicule électrique. Vers un tracteur agricole tout électrique La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 17 Les batteries sont réalisées à partir de cellules prismatiques (250) aux caractéristiques suivantes : Technologie lithium-fer-phosphate Capacité 100 Ah Energie 320 Wh Energie massique 90 Wh/kg Courant décharge standard 50 A Courant décharge maximal 300 A pendant 30 s Tension nominale 3,2 V Résistance < 1 m Dans sa version finale le tracteur embarquera 900 kg d’accumulateurs, des solutions plus légères existent mais sont inutiles car la motricité requise nécessite un poids plancher de l’engin. La puissance crête disponible étant égale à 240 kW, la batterie seule est suffisante pour répondre à toutes les sollicitations. Enfin, pour optimiser la durée de vie des cellules, la puissance totale est limitée à 60 kW par le système de gestion électronique de la batterie (BMS). 3. La motorisation Le système de traction est constitué de quatre roues motorisées, totalement indépendantes, de dimensions identiques (320/70 R 20), équipées d’un réducteur à rapport fixe. Pour une puissance moyenne de 17 kW, le couple total aux roues, à la vitesse de travail (5 km/h), est égal à 6000 Nm. Afin de satisfaire au besoin en couple transitoire (franchissement d’obstacle), le rapport de réduction est fixé à 1/40, le couple moteur à 100 Nm, soit un couple aux roues de 16 000 Nm (jusqu’à la vitesse de 7 km/h). La force théorique de traction qui en découle est égale à 32 kN, en pratique elle sera limitée par l’adhérence des pneumatiques et le poids de l’engin (environ 20 kN). La vitesse maximale du tracteur est limitée par le réducteur à 20 km/h. Le moteur a été conçu et fabriqué par nos soins. Il s’agit d’une structure synchrone classique à aimants, fonctionnant à haute fréquence (16 pôles, 533 Hz à la vitesse maximale) avec un bobinage original, décrit dans [2], optimisé pour la très basse tension, utilisant des barres massives de cuivre (une par encoche), qui permet un rendement supérieur à 95% à la vitesse de travail du tracteur. Figure 2 : moteur à bobinage TBT 4. L’outillage traditionnel en mode électrique. De tous les outils traditionnellement utilisés en viticulture, seul le pulvérisateur (sulfatage) nécessite une puissance incompatible avec le mode électrique (supérieure à 30 kW), un tel outil devra alors embarquer sa propre énergie électrique (autant que pour le tracteur, soit presque 1 T d’accumulateurs), mais une solution plus rationnelle consisterait alors à faire évoluer drastiquement cet outil pour en optimiser le rendement. De telles études sont en cours, leur acceptabilité par la profession n’est pas évidente. 5. Remerciements Ce travail résulte d’une collaboration entre l’Université de Montpellier, L’institut Mines-Télécom d’Alès, la Fédération des Vignerons indépendants et « Sud Vin Bio », avec le financement du CG du Gard et de l’agglomération Nîmes Métropole. 6. Références [1] D. Matt, Vers un tracteur tout électrique, congrès DéciElec, Toulouse, 2017. [2] N. Boubaker, Etude des pertes atypiques dans les machines synchrones à aimants à hautes performances. Thèse de Doctorat, Université de Montpellier, juillet 2016