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CONCLUSIONS
La raréfaction et l’augmentation du coût des énergies fossiles d’une part, et la prise de conscience globale des problèmes liés au réchauffement climatique d’autre part, ont conduit ces dernières années au développement des véhicules hybrides qui sont maintenant une solution industrielle pour réduire la consommation de carburant, donc les émissions de CO2 et
les rejets de polluants. Ce constat est confirmé par le fait qu’une majorité de constructeurs automobiles disposent déjà, ou vont disposer prochainement, de véhicules hybrides dans leurs catalogues.
Dans ce contexte, plusieurs programmes de recherches et de développement ont récemment été menés autour :
· de la modélisation des véhicules hybrides, afin d’en définir les architectures optimales, d’en modéliser le comportement énergétique et d’en définir les lois gestion énergétique,
· la conception de véhicules hybrides afin de tester les composants et les lois de gestion d’énergie déterminées théoriquement,
· d’expérimenter des véhicules, pour valider leur fonctionnement en conditions d’usage.
Ainsi, le travail présenté dans cette thèse avait pour but de modéliser, concevoir et expérimenter un petit véhicule hybride de type quadricycle pour des usages urbains, baptisé PHEBUS. Le présent manuscrit fait donc état des travaux qui ont été menés pour atteindre cet objectif final de réalisation d’un véhicule, en partenariat notamment avec le constructeur automobile AIXAM-MEGA.
Dans un premier temps, nous avons étudié et présenté les principales architectures hybrides, notamment pour mettre en perspective les avantages et les inconvénients de chacune. Cette analyse a conduit à classer PHEBUS dans la catégorie des véhicules hybrides à structure parallèle et rechargeable (plug-in). L’architecture de PHEBUS est innovante dans le sens où le couplage des puissances mécaniques d’origines thermique et électrique se fait grâce à la route et non par un système mécanique comme, par exemple, dans le cas du train épicycloïdal qui est utilisé dans la Toyota Prius. Cette étude a aussi permis de déterminer les différents modes de fonctionnement de PHEBUS, à savoir le mode tout thermique où seul le moteur thermique propulse le véhicule, le mode tout électrique où seuls les moteurs électriques intégrés dans les roues arrière propulsent le véhicule, mode que l’on peut qualifier de Zéro
Emission, et enfin le mode boost dans lequel les moteurs électriques et thermique propulsent
le véhicule. En outre, le fait qu’il soit rechargeable permet d’augmenter son autonomie en mode électrique.
Le deuxième chapitre est consacré aux composants de stockage d’énergie électrique. Pour des raisons économiques, la société AIXAM-MEGA a choisi d’utiliser des batteries au plomb de capacité 20 Ah déjà utilisées sur une gamme commerciale de véhicules électriques. Aussi, nos travaux se sont concentrés sur le dimensionnement et la caractérisation expérimentale des supercondensateurs qui sont associés aux batteries pour faciliter la récupération d’énergie au freinage électrique. Le dimensionnement a été effectué sur la base des besoins en puissance maximale pour propulser le véhicule et le freiner. Cette puissance est de l’ordre de 6 kW. Les calculs ont conduit à l’utilisation de 84 cellules d’une capacité de 350 F sous une tension de
Conclusions et Perspectives
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2,5 V. L’ensemble du pack de supercondensateurs permet alors d’atteindre une tension de 210 V. Des essais approfondis ont permis de valider les performances énergétiques données par le constructeur et d’étudier l’effet de la température sur la capacité, la résistance interne et le rendement de charge/décharge.
Dans le troisième et le quatrième chapitres, nous avons abordé la modélisation du véhicule. Elle s’est portée sur deux axes :
· La modélisation énergétique en utilisant la représentation énergétique macroscopique. Cette modélisation a permis de décrire les flux énergétiques dans le véhicule PHEBUS complet et de définir la structure générale de commande permettant de gérer l’énergie dans les batteries, les supercondensateurs et le réservoir de carburant. En particulier, nous avons pu valider le choix d’une structure très simple utilisant un seul convertisseur en interface des supercondensateurs et donnant la priorité à l’utilisation des supercondensateurs, que ce soit pour les freinages ou les démarrages.
· La modélisation fonctionnelle. Cette modélisation a permis d’établir un modèle fonctionnel du véhicule reposant sur une machine d’état, afin de définir clairement les différentes phases de vie du véhicule et les transitions entre ces phases de vie. Cette modélisation a permis de réaliser en amont un prototype virtuel qui a grandement faciliter la mise au point finale du véhicule, dans la mesure où le programme de la machine d’état a pu être exporté directement dans le calculateur fourni par la société NSI, spécialiste d’électronique embarquée.
La dernière partie de la thèse (chapitre 5) a concerné la mise au point et les essais de roulage du véhicule. Une première catégorie d’essais a permis de valider la modélisation fonctionnelle développée au chapitre 4 et une deuxième catégorie d’essais a permis de tester les performances du véhicule PHEBUS en roulage. Ces essais sont encore en cours, mais les principales fonctionnalités ont été validées : fonctionnement en mode tout électrique, fonctionnement en mode tout thermique, récupération de l’énergie cinétique au freinage en mode électrique avec un rendement de récupération de l’ordre de 25%. Le mode boost a été validé qualitativement.
En conclusion de ce mémoire de thèse, on peut résumer les différentes contributions de ce travail :
· la validation d’une source d’énergie hybride simplifiée et économiquement intéressante utilisant un pack de batteries au plomb, un pack de supercondensateurs et un seul convertisseur électronique de puissance ;
· la modélisation par REM d’un véhicule hybride à moteurs électriques intégrés dans les roues et donc à couplage par la route ;
· la validation expérimentale du véhicule hybride à travers la réalisation d’un démonstrateur opérationnel.
Conclusions et Perspectives
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PERSPECTIVES
À la suite de ce travail, plusieurs perspectives sont maintenant envisageables. ü À court terme, concernant les essais du véhicule
Il est prévu de poursuivre la caractérisation expérimentale du véhicule, en réalisant les essais suivants :
· Essai de caractérisation du mode Boost
Cet essai a pour but d’évaluer quantitativement le fonctionnement du véhicule en mode boost (quatre roues motrices) notamment en relevant les accélérations du véhicule avec et sans l’apport des moteurs-roues électriques.
· Essai de mesure de l’autonomie du véhicule en mode électrique
Il s’agit là d’essais de plus grande ampleur où l’objectif est de réaliser différentes mesures, notamment sur les parcours standards pour la société AIXAM, de façon à calculer une autonomie réaliste du véhicule avec la batterie choisie. Ces essais devront être réalisés plusieurs fois de façon à obtenir des résultats statistiquement fiables. Les essais pourront être réalisés avec et sans les supercondensateurs, de façon à évaluer quantitativement leur apport sur l’autonomie en mode électrique.
· Essais de mesure de la consommation de carburant en mode thermique
De le même façon que pour la mesure de l’autonomie en mode électrique, des mesures d’autonomie, ou plutôt de consommation de carburant, devront être effectuées. Là encore, l’apport du freinage récupératif devra être évalué quantitativement.
ü À moyen et long terme, concernant la modélisation
Deux perspectives nous paraissent importantes en ce qui concerne la modélisation :
· Premièrement, une analyse des essais actuels et à venir devrait permettre de valider et éventuellement de corriger certains modèles : les moteurs, les batteries et les supercondensateurs par exemple.
· Deuxièmement, il serait nécessaire d’améliorer (inclure dans certains cas) la modélisation de certains composants, en particulier le moteur thermique et les organes mécaniques tels que le variateur continu de vitesse ou le contact des roues au sol. Ces améliorations de modèles devraient permettre d’améliorer l’évaluation de la caractérisation énergétique et aussi de tester d’autres alternatives technologiques. Par exemple il pourrait être intéressant de tester le remplacement du pack énergétique actuel (batteries et supercondensateurs) par un pack utilisant uniquement des batteries au Lithium.
ü À moyen et long terme, concernant la gestion d’énergie
Le dernier point de ces perspectives concerne la gestion d’énergie. En effet, la gestion simple actuelle pourrait peut-être être complexifiée si des gains énergétiques pouvaient être obtenus. Une voie importante pourrait venir d’un fonctionnement permanent des moteurs-roues de sorte que l’on recherche toujours à travailler sur un point de fonctionnement optimal au niveau du moteur thermique. Le verrou serait alors d’améliorer la modélisation du contact au sol du véhicule de façon à vérifier si des fonctionnements avec un train avant moteur et un train arrière frein pourrait être envisagé, et ce dans quelles proportions. Cette ouverture vers une hybridation complète aurait aussi l’avantage de proposer des solutions transposables à des véhicules plus puissants tels que des voitures de tourisme ou des véhicules lourds, où les gains énergétiques ont un potentiel supérieur aux quadricycles.
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