Contexte et enjeux scientifiques

Pour la conception et la réalisation de la nouvelle chaîne cinématique hybride proposée dans ce projet, nous avons identifié les trois principales problématiques scientifiques et techniques suivantes.

1.2.6.1 Concernant le moteur-roue

La conception des systèmes de conversion, dont le moteur-roue fait partie, est actuellement une thématique scientifique importante en génie électrique. D’une manière générale, cela se justifie notamment par l’augmentation de la part de l’électricité dans les vecteurs énergétiques. Le livre vert de l’Union Européenne prévoit un passage de 20% de la part énergétique de l’électricité en 2004 à 40% en 2030. Cela implique un effort de recherche particulièrement important sur l’efficacité énergétique des systèmes de conversion et de

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transport de l’énergie électrique. Cet effort doit être conduit dès la phase de conception. Plus spécifiquement, on peut considérer deux axes majeurs.

Le premier axe concerne la modélisation des systèmes à concevoir avec deux objectifs

· la modélisation des systèmes en vue de leur dimensionnement : il s’agit d’obtenir des modèles mathématiques suffisamment représentatifs et souples pour pouvoir être intégrés dans un algorithme de conception ;

· la modélisation en vue du prototypage virtuel : il s’agit d’obtenir des modèles suffisamment fidèles pour supprimer au maximum la réalisation de prototypes.

Le second axe concerne les méthodologies de conception et les outils d’optimisation. En effet, la modélisation n’est qu’une étape du processus de conception. Il convient ensuite d’inverser le modèle, c’est-à-dire de passer d’équations qui expriment les performances d’un système en fonction de ses paramètres de construction (le modèle direct) à des équations qui expriment les paramètres de construction en fonction des performances imposées dans un cahier des charges (le modèle inverse). Il est maintenant admis que l’optimisation est bien adaptée à cette inversion. En effet, l’optimisation permet non seulement d’inverser le modèle mais de chercher dans l’espace des solutions celle qui optimise un critère donné (la consommation énergétique, la masse…). Des approches multi-objectifs permettant même d’étudier des problèmes où plusieurs variables doivent être optimisées alors qu’elles sont contradictoires (par exemple la masse et le rendement d’une machine électrique).

Cet enjeu pour le projet PHEBUS a été traité au sein de l’Institut FEMTO-ST dans le cadre de la thèse de Hoang Minh Maï [MAI11]. La conception optimale du moteur-roue pour le véhicule PHEBUS a été traitée et a abouti à la construction de trois prototypes, dont les deux qui ont été installés sur le véhicule.

1.2.6.2 Concernant la gestion d’énergie dans le véhicule

L’intérêt principal de la chaîne de traction hybride proposée est d’offrir des gains notables en consommation énergétique. Cela nécessite de résoudre les deux problèmes scientifiques suivants.

ü Modélisation énergétique du véhicule

Il convient de développer des modélisations énergétiques du véhicule avec le formalisme adapté. FEMTO-ST pourra s’appuyer sur les travaux déjà menés par le laboratoire sur la modélisation des chaînes de propulsion hybride en collaboration avec le Laboratoire d’Électrotechnique et d’Électronique de Puissance de Lille dans le cadre de l’opération MEGEVH (Modélisation Énergétique et Gestion d'Énergie de Véhicules Hybrides) qui regroupe un certain nombre de laboratoires de recherche de différentes disciplines et dont l'objectif général est d'optimiser la gestion d'énergie de ce type de véhicule afin de les rendre plus compétitifs. Les modélisations proposées devront notamment intégrer les comportements énergétiques des différents composants électriques et thermiques, mais aussi le comportement mécanique du véhicule afin de proposer des lois de commandes performantes sur ces deux aspects.

ü Algorithmes pour la gestion d’énergie

Le deuxième problème est d’élaborer des algorithmes pour la gestion énergétique du véhicule considéré. Partant des modèles du véhicule, il faudra définir des stratégies de gestion d’énergie adaptées aux trois modes de fonctionnement possibles d’un véhicule full-hybride :

· Mode tout électrique : c’est le mode de fonctionnement en ZEV et il s’agit de définir clairement le pilotage optimal permettant de maximiser l’énergie de la batterie ;

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· Mode tout thermique : dans ce cas, on pourra étudier l’intérêt d’une faible recharge des sources électriques par frein moteur électrique avec amélioration du ressenti levée de pied ;

· Mode hybride : dans ce cas, on étudiera, selon les zones optimales de rendement des entrainements électriques et thermiques, quelle est la répartition de puissance optimale vis-à-vis de la consommation de carburant.

1.2.6.3 Concernant le comportement routier du véhicule

La masse à vide du véhicule avec batteries, électronique de contrôle et puissance, les supercondensateurs et moteurs roues doit se situer autour de 600 kg, avec des masses non suspendues arrières augmentées de 30 kg (15 kg par roue). Un quadricycle lourd électrique MEGA équipé de 8 batteries est déjà à 620 kg, et il atteint 730 kg avec 12 batteries, toujours sans passagers ni bagages.

La gestion du comportement dynamique du véhicule avec ces niveaux de masse, compte tenu de leurs voies (1300 mm), de leur empattement (1960 mm) et de leur équipement pneumatique (155/65 R 14) doit être validée. La présence de masses suspendues plus élevées (environ 30 kg de masse supplémentaire pour le train AR) demandera un travail plus spécifique d’adaptation des courses, des raideurs et de l’amortissement en particulier pour prendre en compte les chocs du type nid de poule ou montée de trottoir. Le train AR devant être complètement reconstruit autour des moteurs roues, il devient possible de jouer sur tous les paramètres en s’appuyant sur l’expérience et les compétences de SERA et de FEMTO-ST. A noter que la nouvelle répartition des masses suspendues résultant de l’implantation des batteries plutôt en arrière va corriger le ratio masses suspendues AR/ masses non suspendues AR et aider à dégager un compromis satisfaisant. Il faut aussi garder à l’esprit les performances raisonnables de ce véhicule hybride limité à 15 kW pour des masses en ordre de marche, pilote seul, de plus de 700 kg.