Conception de l’élément transformateur F-à-M

Tout d’abord, les limites maximales sont définies pour les puissances en entrée (E) et en sortie (S) de l’élément transformateur. Ces informations déterminent l’acceptance (la puissance maximale acceptée d’un autre élément fonctionnel à un instant donné) et la disponibilité (la puissance maximale fournie à un autre élément fonctionnel à un instant donné) des ports source et consommateur. De façon générale, l’élément transformateur permet un transfert d’énergie bidirectionnel. Néanmoins, dans cet exemple particulier, l’élément transformateur F-à-M représente un groupe des composants caractérisé par un transfert d’énergie unidi-rectionnel. Par conséquent, l’acceptance du port source de cet élément est fixée à 0 (ici, le fonctionnement du frein moteur est négligé). De plus, la puissance mécanique maximale de la chaîne de traction thermique définie la disponibilité du port source de l’élément trans-formateur F-à-M. En outre, le rendement de la chaîne de traction thermique et la puissance thermique maximale que l’élément peut en recevoir définissent l’acceptance du port consom-mateur de l’élément transforconsom-mateur F-à-M. La disponibilité du port consomconsom-mateur est nulle, car cet élément ne permet pas la transmission d’énergie via le port consommateur (transfert unidirectionnel).

FIGURE4.3 –Chaîne de traction thermique d’un véhicule électrique hybride.

Afin de dimensionner l’élément transformateur F-à-M, la chaîne de traction thermique représentée dans laFigure 4.3est considérée comme un élément de type « boîte noire » avec des paramètres et ports E/S (ou consommateur/source, respectivement) à définir (Figure 4.4).

FIGURE4.4 –Les ports et les paramètres d’élément transformateur F-à-M.

Sachant que la fonctionnalité de ce groupe est de transformer l’énergie thermique (l’éner-gie de carburant) en éner(l’éner-gie mécanique, les niveaux d’éner(l’éner-gie sur les ports E/S (consomma-teur/source) ne sont pas les mêmes. Par conséquent, l’élément transformateur F-à-M reçoit de l’énergie thermique par le port E (le port consommateur) et transmet de l’énergie mécanique par le port S (le port source). Le port consommateur est connecté à l’élément de stockage de carburant. L’énergie mécanique produite peut être utilisée pour la mobilité du véhicule (par le différentiel et les dynamiques du véhicule : roues, châssis) et pour le confort thermique (chauffage de la cabine du véhicule, etc.). De même, cette énergie peut être récupérée pour recharger la batterie.

Dès que les ports E/S sont définis, l’acceptance des effecteurs (mobilité et confort ther-mique) à l’élément transformateur F-à-M et l’acceptance de l’élément transformateur aux effecteurs sont paramétrées. Comme déjà mentionné, en raison du transfert d’énergie unidi-rectionnel de la chaîne de traction thermique (le moteur thermique ne permet pas le freinage régénératif), l’acceptance des effecteurs à l’élément transformateur F-à-M est réglée à 0. Cela signifie que pendant les phases de décélération, l’élément transformateur F-à-M n’est pas utilisé et le système de freinage mécanique peut être activé. En revanche, l’acceptance de l’élément transformateur F-à-M à l’effecteur est déterminée à partir de la puissance maximale fournie par la chaîne de traction thermique et le rendement global du groupe des composants.

La Figure 4.5 illustre les caractéristiques statiques d’un moteur thermique, obtenues auprès du constructeur. Si la boîte de vitesse n’est pas prise en compte, les caractéristiques d’un moteur thermique sont similaires à celles d’un moteur électrique. Tant que le système physique d’une chaîne de traction thermique regroupe le moteur thermique avec la boîte de vitesse, les caractéristiques du moteur thermique ne sont pas suffisantes pour anticiper la puissance maximale transmise aux roues du véhicule.

FIGURE4.5 –Caractéristiques statiques d’un moteur thermique – (a) puissance de sortie - vitesse, rendement - vitesse ; (b) couple - vitesse.

Le rôle d’une boite de vitesse est d’adapter les caractéristiques d’un moteur thermique au besoin de traction d’un véhicule. A chaque changement de vitesse, le rendement et les performances de la chaîne de traction thermique évoluent. Dans cet exemple, une boîte de vitesse avec trois rapports de vitesse est considérée.

vitesse sont illustrées dans laFigure 4.6. Celles-ci dépendent des valeurs du rapport de vitesse qui éventuellement peuvent changer les performances de la chaîne de traction thermique. A partir de ces caractéristiques, la puissance maximale de sortie du groupe est déterminée (représentée en pointillé dans laFigure 4.6). La valeur maximale de la caractéristique globale fournie la puissance maximale en sortie de l’élément transformateur F-à-M. Dans cet exemple, la puissance mécanique maximale de la chaîne de traction thermique est d’environ 62kW. Cela signifie que pour un moteur thermique ayant une puissance de sortie de 70kW (spécification du constructeur), les pertes mécaniques en boîte de vitesse sont de 8kW.

FIGURE4.6 –Caractéristiques de sortie de la chaîne de traction thermique avec trois rapports de vitesse.

Après avoir défini la puissance maximale de l’élément transformateur F-à-M, afin d’éta-blir l’acceptance de cet élément, le rendement de la chaîne de traction thermique doit être déterminé. Le couple de sortie pour une vitesse et une puissance de sortie données est calculé de la façon suivante :

τ_nω_n= P_outn (4.1)

où τ est le couple, n est la valeur du rapport de vitesse, ω est la vitesse angulaire donnée et P_outest la puissance de sortie de la chaîne de traction thermique.

Les caractéristiques statiques couple-vitesse pour trois rapports de vitesse avec les zones de fonctionnement associées sont illustrées dans laFigure 4.7. Ces valeurs sont obtenues par la modification des valeurs du couple et de la vitesse données par le constructeurFigure 4.5) en cohérence avec les rapports de vitesse. La boucle de régulation locale de la chaîne de traction thermique doit conserver le fonctionnement du système dans ces zones afin de maximiser le rendement du groupe des composants. La valeur du rendement de l’élément transformateur F-à-M est donné par la moyenne des rendements maximaux de toutes les

zones de fonctionnement. Cela signifie également que la commande locale de la chaîne de traction thermique assure le fonctionnement du groupe des composants à l’intérieur de ces zones admissibles (Figure 4.7).

FIGURE4.7 –Caractéristiques statiques couple-vitesse pour trois rapports de vitesse avec les zones de fonctionnement de rendement maximal.

Dans la Figure 4.8, la caractéristique statique rendement moyen-couple de la chaîne de traction thermique est illustrée. Tandis que le correcteur local de la chaîne de traction thermique est supposé à assurer un fonctionnement à rendement maximal pour chaque point (couple, vitesse), les points correspondant aux couples inferieurs à 50 Nm sont négligés en raison du fonctionnement du système à un rendement plus faible que la valeur moyenne (22,5%). A partir des valeurs données par le constructeur et le rendement moyen calculé, l’acceptance de l’élément transformateur F-à-M est déterminée par :

Pacc₁ =Pout₁ 1

η₁−2

=70kW ¹

0, 225 ^{=310kW (4.2)}

où Pacc₁ est l’acceptance du port d’entrée (le port consommateur), Pout₁ est la puissance de sortie du port de sortie (le port source) et η₁−2est le rendement du port consommateur au port source d’élément transformateur F-à-M.

FIGURE4.8 –Caractéristique statique rendement moyen - couple de la chaîne de traction thermique.

Par ailleurs, le paramétrage de l’élément transformateur E-à-M peut être réalisé d’une façon similaire. Cet élément représente la fonctionnalité de la chaîne de traction électrique qui contient l’onduleur, la machine électrique et le réducteur. Puisque ce groupe de composants ne contient pas de boîte de vitesse, mais plutôt un réducteur avec un seul rapport de vitesse, le paramétrage est plus simple que celui de la chaîne de traction thermique. Dans ce cas, le rendement global prend en compte les rendements des composants constitutifs : convertisseur, réducteur et machine électrique. Pourtant, la principale différence consiste dans le fait que l’élément transformateur E-à-M peut avoir une acceptance non nulle pour le port de sortie (le port source), qui signifie que cet élément a la capacité d’absorber l’énergie du freinage régénératif envoyée par l’effecteur mobilité (dynamique du véhicule). En conséquence, les acceptances de deux ports de l’élément transformateur E-à-M doivent être définies, ainsi que les rendements de la transformation bidirectionnelle. Le paramétrage final des éléments est donné dans leChapitre 5avec l’application de la démarche de paramétrage à un véhicule hybride.

Le paramétrage d’un élément fonctionnel peut être affiné selon la complexité du modèle fonctionnel et de la dynamique d’élément. Ce phénomène va être détaillé par la suite pour l’élément transformateur F-à-M.