4.3 Proposition d’architectures optimales
4.3.3 Architecture hybride mixte
La deuxième proposition est une architecture hybride mixte (voir Figure 4.3.3). Sur le principe, cette chaîne de traction reste équivalente à un hybride parallèle, mais elle associe à la chaîne de traction thermique deux machines électriques pouvant avoir des fonctions dédiées.
Figure 4.3.3 – Architecture hybride mixte optimisée
Cette chaîne de traction intégre un alterno-démarreur au niveau de la façade accessoire. Il permet d’optimiser le point de fonctionnement du moteur thermique et d’assurer les fonctions de Stop and Start. Une deuxième machine est dédiée à la récupération d’énergie cinétique au freinage et au fonctionnement en pur électrique (ZEV). Si cette architecture ressemble à l’hybridation diesel de PSA, elle en diffère de part l’absence d’embrayage et de synchroniseur au sein de la boîte de vitesses, dont les fonctions sont entièrement assurées par les machines électriques (respect des conditions de couple et de vitesse nécessaires aux changements de rapport).
Les phases de démarrage seront assurées en mode électrique pur. Toutefois, si l’énergie stockée dans la batterie est insuffisante pour assurer cette prestation, cette architecture permet d’assurer les décollages en hybridation série supprimant ainsi le lien mécanique entre le moteur thermique et les roues et par voie de conséquence le recours à un embrayage pour adapter leurs vitesses respectives. Cet avantage se répercute sur le choix de l’étagement des rapports de boîte de vitesse et permet de supprimer le rapport de première et de le substituer par un rapport long pour améliorer les performances en CO2 sur autoroute.
Les temps de changements de rapport sont liés au comportement dynamique des machines électriques et sont susceptibles d’être relativement rapides (100 à 200 ms)
4.4 Conclusion
comparativement à une chaîne de traction pure thermique. Les prestations dyna-miques du véhicule s’en trouvent améliorées de par la minimisation du ressenti de rupture de couple.
Cette architecture ne devrait pas apporter de gains significatifs en émission CO2
par rapport à la première proposition et son coût de production est supérieur du fait de l’intégration de deux machines électriques au lieu d’une seule, ce qui diminue fortement son intérêt pour une application HEV. En revanche, pour une application PHEV, cette architecture pourrait s’avérer intéressante. En fonctionnement hybride elle offrira de bonnes prestations en émission de CO2 et un dimensionnement appro-prié de la machine électrique reliée aux roues par un réducteur devrait permettre de très bonnes performances dynamiques longitudinales du véhicule en fonctionnement ZEV.
4.4 Conclusion
L’analyse des résultats des simulations réalisées par programmation dynamique et les conclusions de la démarche TRIZ présentées dans ce chapitre ont montré l’intérêt d’une hybridation parallèle pour réaliser une chaîne de traction hybride efficiente. Deux solutions d’architecture sont proposées, mais seule l’hybridation parallèle op-timisée à la fois performante en émission CO2 et intéressante vis à vis des coûts de production en ne mettant en œuvre qu’une seule machine électrique servira de sup-port pour déployer un processus de conception organique de la machine électrique.
Le tableau 4.3 permet de relativiser les enjeux liés à l’optimisation de la machine électrique pour l’hybridation parallèle retenue. On montre qu’il existe un potentiel de 15g de C02 /km sur cycle d’homologation NEDC, soit un gain de près de 20% si on passe d’une machine électrique de rendement constant de 70% à un rendement de 100%.
Rendement constant de la machine électrique 70% 80% 90% 100% Consommation en L/100 km 3,41 3,22 3,00 2,76
Emissions CO2 en g CO2/km 79 75 70 64
Table 4.3 – Enjeux CO2 liés à l’optimisation de la machine électrique On notera que la cible de 2l/100 km, fixée en 2012 par le gouvernement français aux constructeurs automobiles, ne pourra pas être atteinte par la simple hybridation de la chaîne de traction, Pour converger vers cette cible, d’autres leviers seront né-cessaires tels que l’amélioration du rendement du moteur thermique, l’optimisation de l’aérodynamisme du véhicule, la diminution de sa masse...
Conception organique et
performance énergétique
« Dans l’échange entre la théorie et l’expérience, c’est toujours la première qui engage le dialogue. C’est elle qui détermine la forme de la question, donc les limites de la réponse. »"
Chapitre 5
Spécifications des organes électriques
de puissance
L’objectif de ce chapitre est d’établir les spécifications de la machine électrique et de la batterie par rapport au seul objectif de minimisation de la consommation. L’architecture de la chaîne de traction a été définie au chapitre précédent. Elle correspond à une hybridation parallèle et intègre une boîte de vitesses à rapports discrets DSR (voir Figure 5.0.1). Le couplage de la branche électrique avec la branche thermique est réalisé en amont de la boîte de vitesses et les spécifications présentées ici considèrent l’intégration d’un réducteur de 2,5 entre la machine électrique et la boîte de vitesses.
Figure 5.0.1 – Hybridation parallèle DSR optimisée
Dans un premier temps, on adapte l’équation d’évolution du système afin de prendre en compte la position du couplage mécanique de la branche électrique en amont de la boîte de vitesses. Dans un deuxième temps, le modèle de cette chaîne de traction est exploité afin d’observer les différentes sollicitations des organes élec-triques. L’analyse de ces résultats permet d’orienter la définition du cahier des charges de conception de la machine électrique et de préciser le besoin de capa-cité de la batterie pour garantir la consommation minimale.
5.1 Equation d’évolution pour l’hybridation parallèle
optimale
5.1.1 Bilan de puissance
Les flux de puissance mécaniques et électriques sont représentés Figure 5.1.1. Comme cela a déjà été fait au paragraphe 3.4.5.2, on identifie un nœud mécanique et un nœud électrique. La position de la boîte de vitesses permet d’adapter la stra-tégie de changement du rapport de transmission afin d’optimiser le point de fonc-tionnement de la machine électrique dans certaines situations : pendant les phases où le moteur thermique est actif, le rapport de transmission sélectionné est celui qui optimise le rendement du moteur thermique. En revanche, pendant les phases de traction électrique pure (ZEV), le rapport de transmission est choisi en fonction du rendement de la machine électrique. En phase de récupération d’énergie au freinage, le dernier rapport engagé avant le freinage est maintenu pour des raisons d’effica-cité de freinage (continuité) et d’agrément de conduite (à-coups potentiels lors d’un changement de rapport). PRoue Auxiliaires Batterie Pbatt Boite de vitesses Machine électrique Réducteur Moteur
thermique Transmission aux roues
PMEL elec PMEL PMTh Ptrans MTh PTraction Paux DSR ηMTh ηηηηTrans_MTh γγγγTrans_MTh ηMEL ηηηηTrans_roue γγγγTrans roue ηηηηRed γγγγRed Ptrans MEL RBatt IBatt
Figure 5.1.1 – Schéma de flux de puissance de l’hybridation parallèle optimale Les bilans de puissance aux différents noeuds s’écrivent de la façon suivante : — noeud mécanique :
PM T h(t) + PT rans M EL(t) = PT rans M T h(t), (5.1.1) — noeud électrique :
5.1 Equation d’évolution pour l’hybridation parallèle optimale
En mode traction : Proue >0
PT rans M T h(t) = PT raction(t)
ηT rans M T h = Proue(t)
ηT rans M T hηT rans roue, (5.1.3) d’où
PM T h(t) + PT rans M EL(t) = Proue(t)
ηT rans M T hηT rans roue. (5.1.4) En mode boost : PM EL >0
PT rans M EL(t) = Proue(t)
ηT rans M T hηT rans roue − PM T h(t), (5.1.5) et
PT rans M EL(t) = PM EL(t)ηRed, (5.1.6)
donc
PM EL(t) = Proue(t) − ηT rans M T hPM T h(t)ηT rans roue
ηredηT rans M T hηT rans roue , (5.1.7) et
PM EL elec(t) = PM EL(t)
ηM EL(CM EL, ωM EL) (5.1.8) soit
PM EL elec(t) = Proue(t) − ηT rans M T hPM T h(t)ηT rans roue
ηredηT rans M T hηT rans roueηM EL (5.1.9) et par voie de conséquence
Pbatt(t) = Proue(t) − ηT rans M T hPM T h(t)ηT rans roue
ηredηT rans M T hηT rans roueηM EL + Paux. (5.1.10) En mode génératrice : PM EL <0
PT rans M EL(t) = Proue(t)ηT rans M T hηT rans roue− PM T h(t), (5.1.11) et
PT rans M EL(t) = PM EL(t)
ηred , (5.1.12)
donc
PM EL(t) = ηredProue(t) − ηT rans M T hηredηT rans rouePM T h(t)
ηT rans M T h , (5.1.13)
PM EL elec(t) = PM EL(t)ηM EL(CM EL, ωM EL), (5.1.14) soit
PM EL elec(t) = ηM EL
ηredProue(t) − ηT rans M T hηredηT rans rouePM T h(t)
ηT rans M T h , (5.1.15)
et par voie de conséquence
Pbatt(t) = ηM EL
ηT rans M T h (ηredProue(t) − ηT rans M T hηredηT rans rouePM T h(t)) + Paux.
(5.1.16) — Si Proue <0, alors PM T H = 0 et
PT rans M EL(t) = PT rans M T h(t) = ηT rans M T hηT rans roueProue(t), (5.1.17) et
PM EL(t) = ηredPT rans M EL(t) = ηredηT rans M T hηT rans roueProue(t), (5.1.18) avec
PM EL elec(t) = ηM EL(CM EL, ωM EL)PM EL(t). (5.1.19) Donc
Pbatt(t) = ηredηM ELηT rans M T hηT rans roueProue(t) + Paux. (5.1.20) — A l’arrêt : Si Proue = 0, PM T H = 0 et PM EL = 0
Pbatt(t) = Paux. (5.1.21)