D ÉTERMINATION DE LA CONSOMMATION EN PUISSANCE ( ÉTAPE 2)

Dans cette section, des calculs analytiques et des simulations dynamiques issus du modèle mécanique du véhicule (cf. Figure 2.2) sont complétés pour déterminer la puissance requise pour mouvoir le véhicule dans différentes circonstances. Les résultats de ces calculs ou simulations sont ensuite utilisés au niveau de l’étape 3 pour déterminer la masse attribuable au stockage d’énergie puis celle liée à la génération de puissance continue et maximale du groupe électrogène.

2.5.1 Calcul de la puissance requise en régime permanent

Les paramètres du calcul visent à évaluer la consommation normale pour le véhicule circulant à vitesse nominale avec une très légère pente (2%) et un faible vent de face (20 km/h). Ainsi, les « données propres au véhicule » ainsi que les « données propres à un parcours typique » figurant dans le Tableau 2.1 sont considérées dans le calcul.

L’objectif du calcul est donc de déterminer le couple électromagnétique nécessaire pour conserver une vitesse constante en utilisant l’équation (Éq.2-1). La puissance mécanique est ensuite utilisée pour déduire la puissance tirée sur l’alimentation (électrique ou hybride) en fonction du rendement de la chaîne de traction effective.

Le Tableau 2.2 présente pour sa part les résultats de ce calcul en négligeant l’ensemble des pertes du système. La puissance mécanique est ensuite utilisée pour définir les puissances à transmettre à travers les chaînes de traction respectivement électrique et hybride. Les rendements ont été préalablement définis aux Figure 2.7 et Figure 2.9 pour ce point d’opération qui devrait afficher la pointe d’efficacité du système. Les puissances minimales tirées respectivement de la batterie et du moteur à combustion de la génératrice par le travail mécanique peuvent être calculées comme suit :

Éq.2-11𝑃_{𝑏𝑎𝑡𝑚𝑖𝑛} = 𝑃𝑚𝑒𝑐𝑚𝑖𝑛 𝜂𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑛𝑜𝑚 11 (Éq.2-11) Éq.2-12𝑃_{𝑚𝑜𝑡𝑔𝑒𝑛} 𝑚𝑖𝑛= 𝑃𝑚𝑒𝑐𝑚𝑖𝑛 𝜂𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑛𝑜𝑚 12 (Éq.2-12)

Tableau 2.2 : Paramètres du point d’opération nominal : vitesse 90 km/h, pente 2%, vent de 20 km/h1

*L’énergie consommée sur la distance d’autonomie en mode électrique prescrite par le cahier des charges servira ensuite à dimensionner le stockage. Son calcul, donné en kilo Watt-heure (kWh), est donné par l’équation (Éq.2-13) Éq.2-13𝑊_𝑏𝑎𝑡= 𝑃_{𝑏𝑎𝑡𝑚𝑖𝑛}∙ 𝑅𝑎𝑛𝑔𝑒 𝑉𝑛𝑜𝑚 = 22𝑘𝑊 ∙ 40𝑘𝑚 90𝑘𝑚/ℎ= 9.8 𝑘𝑊ℎ 13 (Éq.2-13)

La consommation réelle sera plus faible que celle indiquée au Tableau 2.2 puisqu’une pente minimale a été considérée ainsi qu’un vent de face. Ainsi, dans les conditions optimales (sans pente ni vent de face), la consommation minimale est évaluée à 4.0 l/100km et

une autonomie en mode électrique estimée à un peu plus de 65 km. Avec une efficacité espérée au dessus de 96% sur les machines de traction, seulement une puissance de 5.2 kW par moteur sera consommée, ce qui ne représente que 190 W de pertes par moteur.

De son côté, le moteur de la génératrice doit fournir une puissance nominale de 23.2 kW à son point d’opération le plus efficace, permettant au véhicule d’accroître son autonomie sans risquer de faire chuter la tension de la batterie ou diminuer les performances de son système de traction. Sa puissance maximale doit permettre l’atteinte de la vitesse maximale avec un vent maximal.

Nom du

paramètre Description Valeur Unité

Résultats du calcul pour un modèle idéal

Tmin Couple minimal à chacune des 4 roues pour maintenir la vitesse à 90 km/h 58 Nm

Pmecmin Puissance mécanique minimale pour maintenir la vitesse à 90 km/h 19 kW

Résultats de simulation en considérant le rendement des chaînes de traction

ηTires Rendement considéré pour la friction dans le pneu 93 %

Temmin Couple électromagnétique minimal pour maintenir la vitesse à 90 km/h 62.3 Nm

Pccnom Puis. sollicitée par le bus CC pour alimenter le groupe de traction (moteur-onduleur) 21.7 kW

𝜂𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑛𝑜𝑚 Rendement de la chaîne de traction électrique pour ce point d’opération (avec pneu) 86.6 % 𝜂𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑛𝑜𝑚 Rendement de la chaîne de traction hybride série à ce point d’opération (avec pneu) 81.8 % Pmotgenmin Puissance du moteur à combustion pour fournir le bus CC en mode hybride à 90 km/h 23.2 kW

économie Économie de carburant du véhicule (en l/100km) considérant 0.28 l/kWh 7.2 l/100km

Pbatmin Puissance min. de la batterie pour fournir le bus CC en mode électrique à 90 km/h 22 kW

2.5.2 Calcul de la puissance requise à vitesse maximale ou pente maximale

La puissance maximale à atteindre doit minimalement permettre au véhicule de conserver sa pleine vitesse tout le long d’un trajet de plusieurs centaines de kilomètres. La génératrice doit assurer la production d’une puissance crête suffisante pour répondre à ce critère. La valeur maximale de puissance continue sur le système est retenue suivant deux situations. Cette valeur maximale de puissance définira la puissance de la génératrice. L’objectif de ces choix de dimensionnement est d’éviter des efforts trop intenses sur l’alimentation par la limitation de la capacité de traction.

La première situation est le maintien de la vitesse maximale de 120 km/h sur une pente de seulement 2% avec un vent de face de 50 km/h. La deuxième situation, présentée par la dernière portion de la Figure 2.4, exige une vitesse constante de 90 km/h sur une pente de 20%. Dans les deux cas, l’ensemble des éléments du bus CC verra son efficacité se dégrader légèrement par rapport au point nominal défini par le Tableau 2.2. Le choix du couple nominal de la machine est normalement équivalent à la valeur maximale donnée par les deux situations. Le choix du couple nominal demeure tout de même à la discrétion du concepteur en fonction de son niveau de confiance du système de refroidissement et du niveau d’acceptabilité d’une légère diminution du rendement pour la situation la plus stressante pour la machine. Considérant un système de refroidissement qui sera légèrement surdimensionné et puisque la première situation est le cas le plus probable de perdurer sur de longues périodes d’utilisation, le couple nominal est fixé à 132 Nm.

Le groupe de traction électrique, soit le moteur et son onduleur, doit par contre être optimisé pour ces points d’opération nominaux puisqu’ils auront à supporter ces pointes en puissance ou en couple plus régulièrement que le groupe électrogène. Ainsi, le rendement considéré pour le groupe de traction moteur-onduleur est de 87.5% considérant un rendement mécanique de 93% et 96% sur la machine puis 98% sur l’onduleur. Il est donc sous-entendu qu’aucune saturation ne doit être apparente sur le comportement de la machine de traction à ce point d’opération. Les paramètres du calcul et les résultats obtenus sont présentés dans le Tableau 2.3.

Tableau 2.3 : Définition des paramètres du calcul de la puissance continue maximale2

À partir de l’efficacité crête espérée en mode hybride inscrite au Tableau 2.1, sollicitant une puissance de 21.7 kW sur le bus CC (cf. Tableau 2.2), la démarche de dimensionnement du moteur diesel se basera sur le rendement de la chaîne de production en fonction de la dégradation de l’efficacité de l’alternateur et du convertisseur survolteur. Il est ainsi nécessaire d’appliquer les équations ((Éq.2-8) et (Éq.2-9):

Éq.2-14𝜂_𝑚𝑖𝑛 𝑐𝑜𝑛𝑣−𝑠𝑢𝑟𝑣𝑜𝑙𝑡𝑒𝑢𝑟 = [1 − (1 − 0.98) ∙ ( 62kW 21.7kW) 0.75 ] ∙ 100% = 95.6% 14 (Éq.2-14)

Pour sa part, l’alternateur doit fournir plus de puissance à l’entrée du convertisseur pour compenser les pertes dans ce dernier. La puissance nominale de l’alternateur comprend déjà les pertes nominales du convertisseur. Son rendement est donc calculé par : Éq.2-15𝜂_{𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙𝑡𝑒𝑟𝑛.}= [1 − (1 − 0.96) ∙ (

62kW

21.7kW∙0,956)

1

] ∙ 100% = 87.9% 15 (Éq.2-15)

Dans l’éventualité où la partie électrique du groupe électrogène affiche une telle chute de rendement pour la production maximale de puissance sur le moteur à combustion, la puissance de sortie de ce dernier devrait être surévaluée à :

Éq.2-16𝑃_{𝑚𝑜𝑡𝑒𝑢𝑟𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛} = 𝑃𝑐𝑐𝑔𝑒𝑛 𝜂𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡 = 62𝑘𝑊 0.879∙0.956= 73.8 𝑘𝑊 16 (Éq.2-16) Nom du

paramètre Description Valeur Unité

Résultats pour la vitesse maximale (120 km/h) et une pente de 2%, vent à 50 km/h

Tmin1 Couple aux roues minimal pour maintenir la vitesse à 120 km/h 123 Nm

Pmecmin1 Puissance mécanique aux roues pour maintenir la vitesse à 120 km/h 54 kW

Temnom1 Couple électromagnétique pour maintenir la vitesse à 120 km/h (choisi) 132 Nm

Pccgen1 Puissance produite sur le bus CC par le groupe électrogène à 120 km/h _{(avec η=87.5% sur le groupe de traction)} 62 kW

Résultats pour la vitesse nominale (90 km/h) et une pente de 20%, vent à 0 km/h

Tmin2 Couple aux roues minimal pour maintenir la vitesse à 90 km/h 146 Nm

Pmecmin2 Puissance mécanique aux roues pour maintenir la vitesse à 90 km/h 47.6 kW

ηmeca Rendement considéré pour la friction dans le pneu et la mécanique 93 %

Temnom2 Couple électromagnétique pour maintenir la vitesse à 90 km/h (choix écarté) 157 Nm