Architectures des véhicules hybrides

Comme indiqué précédemment, les avantages les plus importants des VEHs sont : l’aug-mentation du rendement du système, l’amélioration de l’autonomie, la diminution des émissions CO2et la diminution de la dépendance aux ressources à base de pétrole, tout en gardant les performances et le confort du véhicule. Afin de réussir à améliorer et pouvoir exploiter tous ces avantages, les VEHs utilisent plusieurs sources d’énergie. Cette topologie de système complexe multi-sources/multi-consommateurs donne aux ingénieurs/chercheurs une certaine liberté de choix de l’architecture du système.

Le déplacement est le consommateur le plus important d’un VEH. Pour répondre aux besoins d’énergie du véhicule générés par le déplacement, la chaîne de traction des véhicules hybrides peut varier. Pour une meilleure compréhension, un concept de chaîne de traction d’un VEH est donné en [85]. Ce concept montre les différentes façons possibles d’échanger des flux d’énergie et analyse également les modèles de combinaison des flux de puissance afin d’atteindre les besoins de charge. Les VEHs ont généralement deux chaînes de traction.

La mise en place d’un freinage régénératif nécessite au moins qu’une des chaînes de traction des VEHs permette aux flux d’énergie d’être bidirectionnels. Dans ce cas, l’autre chaîne de traction peut être bidirectionnelle ou unidirectionnelle.

Le concept de chaîne de traction d’un VEH est illustré enFigure 2.5avec les flèches qui indiquent la direction du flux de puissance pour atteindre le besoin de la charge, les tirets indiquent la direction de la puissance vers une des sources du système.

FIGURE2.5 –Le concept de la chaîne de traction d’un VEH [84,85].

Les modèles possibles de combinaison des flux de puissance pour atteindre les besoins de charge sont (Figure 2.5, la Chaîne de Traction 1 correspond à la Source d’Energie 1 plus le Convertisseur d’Energie 1, et la Chaîne de Traction 2 correspond à la Source d’Energie 2 plus le Convertisseur d’Energie 2) :

i. Le besoin d’énergie de charge est atteint par seulement la Chaîne de Traction 1. ii. Le besoin d’énergie de charge est atteint par seulement la Chaîne de Traction 2. iii. Le besoin d’énergie de charge est atteint par la Chaîne de Traction 1 et la Chaîne de

Traction 2.

iv. La chaîne de Traction 2 obtient seulement de l’énergie par la charge (freinage régénéra-tif).

v. La Chaîne de Traction 2 obtient seulement de l’énergie par la Chaîne de Traction 1. vi. La Chaîne de Traction 2 obtient de l’énergie de la Chaîne de Traction 1 et de la charge. vii. La Chaîne de Traction 1 fournit de l’énergie à la Chaîne de Traction 2 et à la charge.

Ce concept de la chaîne de traction d’un VEH peut être réalisé par différentes architectures. Les architectures les plus utilisées sont les Hybride Séries et les Hybride Parallèles. Deux autres architectures, les Séries-Parallèle et l’Hybride Complexe, peuvent aussi être ajoutées aux architectures des VEHs les plus utilisées par les constructeurs automobiles.

Pour introduire une définition plus précise de l’architecture des VEHs, le couplage de puissance sera pris en compte. Par exemple une chaîne de traction électrique (série), une

chaîne de traction mécanique (parallèle), et une chaîne de traction de couplage mécanique-électrique (série-parallèle).

1. VEH Série (Figure 2.6) : La caractéristique principale de la configuration série hybride est que les sources de puissance sont couplées par le couplage électrique. Le moteur thermique n’est pas couplé directement à la transmission mécanique. La machine électrique est le seul composant couplé et utilisé pour la traction du véhicule.

FIGURE2.6 –Représentation d’un VEH Série.

Cette topologie permet aussi bien une commande relativement simple de la traction, simplifie la transmission et respecte la caractéristique de vitesse-couple du moteur élec-trique. Comme le moteur thermique n’est pas connecté directement à la transmission pour la traction du véhicule, sa taille peut être diminuée et le champ de fonctionne-ment haut rendefonctionne-ment peut être assuré. En revanche, cela nécessite une batterie dont la capacité augmente lorsque la puissance du moteur thermique diminue. Cependant, comme il y a plusieurs transformations d’énergie (fuel vers mécanique – mécanique vers électrique – électrique vers mécanique), le rendement global du système est plus faible qu’avec les autres architectures de chaîne de traction. Par ailleurs, le besoin de deux machines électriques, dont une de taille et de puissance relativement importantes, et donc coûteuse, engendre un véhicule à prix élevé.

Les modes de fonctionnement de VEH Séries sont les suivants :

• Mode de traction électrique (Figure 2.7a) : Le moteur thermique est arrêté et la traction est assurée uniquement par le moteur électrique et la batterie.

• Mode de traction thermique (Figure 2.7b) : La puissance de traction du véhicule est fournie par le moteur thermique, donc par la consommation de fuel, tandis que la batterie ne contribue pas à la mobilité. La machine électrique de traction sert de transmission électrique à partir du moteur thermique aux roues.

(A) (B)

FIGURE2.7 –Représentation des modes (a) traction électrique et (b) traction thermique de VEH Série.

• Mode de traction hybride (Figure 2.8a) : La puissance de traction est obtenue par le moteur thermique et la batterie, fusionnant avec le couplage électrique.

• Mode de puissance thermique partagé (Figure 2.8b) : La puissance fournie par le moteur thermique est utilisée simultanément pour recharger les batteries et pour la traction du véhicule.

(A) (B)

FIGURE2.8 –Représentations des modes (a) traction hybride et (b) puissance thermique divisé de VEH Série.

• Mode de freinage régénératif (Figure 2.9a) :Le moteur thermique n’est pas actif et le moteur électrique de traction fonctionne comme un générateur actionné par la dynamique du véhicule. La puissance générée est utilisée pour charger la batterie. • Mode de charge de la batterie véhicule immobile (Figure 2.9b) : Le moteur élec-trique de traction ne reçoit pas d’énergie et le moteur thermique est utilisé unique-ment pour charger la batterie.

(A) (B)

FIGURE2.9 –Représentations des modes (a) freinage régénératif et (b) chargement de la batterie immobile de VEH Série.

2. VEH Parallèle (Figure 2.10) : La caractéristique principale de la configuration parallèle hybride est que les sources de puissance sont couplées mécaniquement. Le moteur thermique et le moteur électrique de traction sont couplés à la transmission mécanique à l’aide d’un composant mécanique (selon la forme d’un train épicycloïdal). Cette topologie utilise le moteur électrique de traction pour améliorer le rendement du moteur thermique en utilisant le moteur électrique pour les mouvements du véhicule avec des dynamiques importantes comme l’accélération, les montées, etc.

FIGURE2.10 –Représentation d’un VEH Parallèle.

Ce type d’architecture des VEHs est plus avantageux avec deux composants de traction à la place de trois (hybride séries). Le moteur électrique de traction peut fonctionner comme un générateur afin de charger la batterie avec la puissance obtenue par la transmission mécanique en récupérant l’énergie cinétique du véhicule ou directement par le moteur thermique. Comme la puissance de traction est obtenue au moyen des deux composants, un moteur thermique de puissance plus faible peut être choisi mais aussi bien la machine électrique. Cependant, le couplage mécanique, qui est assuré par une transmission mécanique, forme un système bien plus complexe que celui du VEH série.

• Mode de traction thermique (Figure 2.11a) : La puissance de traction du véhicule est assurée par le moteur thermique, tandis que la batterie HT ne fournit ou n’absorbe aucune énergie.

• Mode de charge de la batterie véhicule immobile (Figure 2.11b) : Le moteur électrique de traction reçoit de l’énergie uniquement du moteur thermique qui fonctionne comme un générateur pour charger la batterie.

(A) (B)

FIGURE2.11 –Représentations des modes (a) traction thermique et (b) charge de la batterie immobile de VEH Parallèle.

• Mode de traction électrique (Figure 2.12a) : Le moteur thermique est arrêté et la traction du véhicule est assurée uniquement par le moteur électrique et la batterie. • Mode de puissance thermique partagé (Figure 2.12b) : La puissance fournie par

le moteur thermique-générateur est utilisée simultanément pour recharger les batteries et pour la traction de véhicule.

(A) (B)

FIGURE2.12 –Représentations des modes (a) traction électrique et (b) puissance de thermique divisé d’un VEH Parallèle.

• Mode de traction combinée (Figure 2.13a) : La traction du véhicule est assurée par les deux moteurs thermique et électrique (utilisation de la batterie).

• Mode de freinage régénératif (Figure 2.13b) : La batterie se charge en récupérant l’énergie cinétique du véhicule et le moteur électrique de traction est utilisé comme générateur pour ce fonctionnement.

(A) (B)

FIGURE2.13 –Représentations des modes (a) traction combinée et (b) freinage régénérative d’un VEH Parallèle.

On trouve également ce système de motorisation pour la propulsion marine dont les moteurs thermiques (diesel) spécifiques peuvent difficilement être remplacés. Avec une architecture en hybridation parallèle, il est à la fois possible de conser-ver une motorisation quasi incontournable tout en lui adjoignant une assistance électrique.

3. VEH Série – Parallèle (Figure 2.14) : La caractéristique principale de la configuration hybride série - parallèle est que les sources de puissance sont couplées mécaniquement et électriquement. Le moteur thermique et le moteur électrique de traction sont couplés à la transmission mécanique à l’aide d’un composant mécanique (engrenage planétaire) et le moteur thermique est aussi couplé à la transmission électrique à l’aide d’un générateur.

FIGURE2.14 –Représentation d’un VEH Série – Parallèle.

Cette topologie combine les avantages des VEH Séries et VEH Parallèles. Néanmoins, elle cumule aussi les difficultés de ces architectures en ajoutant une machine électrique supplémentaire à commander et à intégrer dans le système. Il en résulte un système encore plus compliqué et coûteux. Mais avec les progrès de la technologie (électro-nique de puissance, commande, etc.) et de production, les constructeurs préfèrent cette architecture pour les nouveaux VEHs [88].

4. VEH Complexe (Figure 2.15) : Similaires aux caractéristiques principales de la configu-ration hybride série - parallèle, la seule différence des VEHs complexes est que leur générateur peut aussi fonctionner comme un moteur électrique et peut générer de la puissance mécanique (dans les structures VEH série – parallèle, le flux de puissance du générateur électrique est unidirectionnel et en VEH complexe il est bidirectionnel).

FIGURE2.15 –Représentation d’un VEH Complexe.

Les architectures présentées sont non seulement les plus utilisées mais aussi celles qui sont en développement. Certains chercheurs [88-90] introduisent un autre type de configuration de VEHs : Through the Road. De plus, selon ces références, les véhicules à pile à combustible sont comptés dans les topologies de véhicules hybrides comme les VEH séries. Par ailleurs, le VEH Plug-in (rechargeable) peut être inclus dans cette liste d’architectures, mais un hybride rechargeable peut être série, parallèle ou série – parallèle selon l’architecture de la chaîne de traction. Une comparaison entre les architectures des chaînes de traction des VEHs est présentée dans leTableau 2.1:

TABLEAU2.1 –Comparaison entre les architectures des VEHs (1 : Très bien, 2 : Bien, 3 : Acceptable, 4 : Défavorable) [86].

VEH Série VEH Parallèle ^{VEH Série –}

Parallèle ^{VEH Complexe} Efficacité : Economie de carburant 1 2 1 1 Coût 1 2 3 4 Facilité de commande 1 3 3 3 Rendement global 3 1 1 1 Performance : Accélération 3 2 2 1

Selon le niveau d’hybridation, il n’est pas possible d’utiliser toutes les architectures pour tous les niveaux d’hybridation. LeTableau 2.2illustre cette fonctionnalité des VEHs.

TABLEAU2.2 –Matrice des VEHs selon l’architecture et le niveau d’hybridation [90].

Micro VEH Mild VEH Full VEH Plug-in VEH Série / / + +

Parallèle + + + +

Série - Parallèle / / + +

Complexe / / + +