Interprétation statistique des profils de missions

Afin d’optimiser les composants du système, les profils de missions doivent être introduits [Fish01]. Ils permettent de minimiser des paramètres au niveau du cycle global du système comme par exemple l’énergie consommée, et donc de rendre optimale la traction pour l’utilisation prévue. Cela peut se mettre en œuvre en privilégiant, lors de l’optimisation, les zones d’utilisation effectives des composants par rapport à celles qui apparaissent minoritairement.

Dans cette partie, nous introduirons les deux types de profils de mission : civil et militaire. Dans la suite de l’étude, seul le profil militaire sera pris en compte pour illustrer la méthode.

Chapitre 3 Stratégie d’optimisation globale de la chaîne de traction du véhicule

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3.2.3.1. Profils mission civil

La Figure 3.3 présente le profil mission civil pour un véhicule benne à ordures ménagères. Ce profil est constitué d’une phase dite de liaison (accès à la zone de ramassage) et d’une phase de collecte des ordures ménagères. Le profil mission a été simulé pour une distance de 4,4 km et une durée de 20 minutes 42 secondes. La vitesse moyenne du véhicule est de 12,7 km/h. La masse du véhicule est 10 tonnes sans charge et 19 tonnes avec charge maximale. Ce profil de mission permet de mettre en œuvre une application civile en vue de caractériser la chaîne de traction du véhicule hybride électrique.

Figure 3.3 Profil de mission civil pour un véhicule benne à ordures ménagères (source : IFSTTAR)

3.2.3.2. Profils mission militaire

Nous allons dans notre cas introduire le profil de mission d’un véhicule de type « combat » fourni par Nexter Systems [ARCHYBALD]. La Figure 3.4 et la Figure 3.5 décrivent l’évolution en fonction du temps de la vitesse du véhicule et de la puissance transmise aux roues. Les caractéristiques de fonctionnement de chacun des composants de la traction peuvent être déduites de ces profils de mission en tenant compte de la stratégie de pilotage précisant quels sont les chemins de puissance mis en jeu à chaque instant. Ainsi, il est possible de définir les profils de pilotage des principaux composants de la traction : les deux ensembles machine électrique/onduleur, l’ensemble batteries/hacheur, l’ensemble supercondensateurs/hacheur, le moteur thermique, le train épicycloïdal de type Ravigneaux et les différents organes mécaniques de réduction. Ce sont ces profils de mission qui permettront de déterminer des points de fonctionnement caractéristiques pour chaque composant à concevoir par optimisation, ainsi que les proportions d’apparition de ces points, traduit en facteurs de pondération.

Si dans le cas présent la stratégie de pilotage est connue à priori et permet de définir les profils de fonctionnement de chaque élément de la traction, on peut tout de même envisager à l’avenir une extension du processus d’optimisation permettant de déterminer la stratégie de pilotage optimale en laissant variables les facteurs de pondération liés au profil de mission et à la stratégie de pilotage.

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Nous pouvons définir 4 points de fonctionnement qui représentent majoritairement l’état de fonctionnement du véhicule. Les régimes transitoires qui apparaissent de manière très brève mettent en jeu une quantité d’énergie qui peut être négligée dans le bilan énergétique global du profil de mission. Par contre ils sont pris en compte lors de l’optimisation sous forme de contraintes de dimensionnement (vitesse et couple maximum des machines électriques par exemple).

Figure 3.4 Profil de mission Nexter Systems de type « combat » : vitesse du véhicule en fonction du temps

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Figure 3.5 Profil de mission Nexter Systems de type « combat » : puissances aux roues du véhicule en fonction du temps

Description du profil de mission militaire

Avant de commencer les cycles de fonctionnement, une phase de transfert préliminaire doit être effectuée. Comme le poids du véhicule blindé considéré dans le Projet ARCHYBALD est de 25 tonnes, il doit être transporté par un camion afin d’économiser son utilisation jusqu’à 50 km dans la zone de combat militaire. Cette phase correspond au trajet jusqu’à la zone de déploiement initiale où le début du cycle commence (point de fonctionnement 1) [SautterAC10].

• Point de fonctionnement 1 : Trajet jusqu’à la zone de déploiement opérationnel

Cette phase peut avoir lieu une fois par semaine à une fois par mois, les besoins de puissances électriques sont faibles. Le véhicule rejoint la zone de déploiement opérationnel distant d'une cinquantaine de kilomètres, à une vitesse stabilisée de 60 km/h en moyenne.

• Point de fonctionnement 2 : Ennemi peu probable

Au début de la prise de contact avec l'ennemi, sa probabilité de présence est assez faible. L'équipage observe afin de détecter tout ennemi éventuel. Les besoins de puissances électriques sont faibles. Il y a peu d'arrêt sur ce cycle de fonctionnement. Le véhicule roule environ 10 à 15 kilomètres à une vitesse moyenne de 40-50 km/h.

• Point de fonctionnement 3 : Ennemi possible

Lorsque la probabilité de présence de l'ennemi devient plus importante, on limite la vitesse de progression des véhicules. Le roulage reste principalement continu, c’est-à-dire sans arrêt, mais la vitesse descend à 20 km/h. Les besoins en puissances électriques restent faibles.

• Point de fonctionnement 4 : Ennemi probable et ennemi ou cible en vue - Ennemi probable

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Lorsque la probabilité de présence de l’ennemi est importante, il est nécessaire de pouvoir ouvrir le feu dès que celui-ci est repéré. Si le véhicule ne peut pas tirer en roulant, il est nécessaire d’avoir au moins 2 véhicules qui puissent s’appuyer mutuellement. L’un avance lorsque l’autre est à l’arrêt. Dans notre cas, nous considérons que le véhicule peut tirer en roulant. Cette phase se déroulera différemment. Le véhicule roulera à vitesse modérée, entre 10 et 20 km/h afin de pouvoir tirer et surveiller. Les pilotes doivent aménager leur trajectoire afin de pouvoir se poster en cas d’attaque. Dans cette phase, les besoins de puissances électriques sont importants et la furtivité est primordiale.

- Ennemi ou cible en vue

Lorsqu’on aperçoit la cible, une manœuvre de déploiement se met en place dans une zone de 3 à 4 km sur 1 à 2 km. Cette phase se fait à vitesse lente, si possible furtivement, avec de fréquents arrêts et le besoin de pouvoir engager le combat à tout instant. L’approche se fait souvent en tout-terrain (forte demande de puissance).

Dans cette phase et la phase précédente, le besoin en autonomie n’excède pas 15 km, et 3 à 4 km de furtivité est une valeur qui semble intéressante en première approche vue le besoin opérationnel.

A partir de ces profils de mission, nous pouvons obtenir les proportions des durées de chaque mode de fonctionnement. Chaque proportion définit le coefficient de pondération des critères liés au point de fonctionnement considéré. Ces coefficients de pondération k1, k2, k3 et k4 sont constants pour tous les composants liés avec les points de fonctionnement de la chaîne de traction et sont propres au profil de mission considérée. Ils décrivent le rapport de la durée de chaque point de fonctionnement par rapport au temps global du cycle, soit le pourcentage d’apparition de chaque mode défini par la loi de pilotage. La somme des quatre coefficients est donc égale à 1. Les valeurs k1, k2, k3 et k4 obtenues pour le profil considéré dans notre cas sont :

       = = = = 2652 . 0 k 0939 . 0 k 2652 . 0 k 3757 . 0 k 4 3 2 1 (3.2)

Ces quatre valeurs de coefficients de pondération sont les mêmes pour le train Ravigneaux, la génératrice et le moteur électrique dans les parties suivantes du chapitre.

Les 4 modes de pilotage du véhicule identifiés pour les points de fonctionnement du profil simplifié permettent de déterminer les flux énergétiques, et donc les points de fonctionnement correspondants de chacun des composants de la traction :

• Point de fonctionnement 1 : mode hybride (puissance thermique + puissance électrique) ;

• Point de fonctionnement 2 : mode hybride (puissance thermique + puissance de recharge des batteries) ;

• Point de fonctionnement 3 : mode hybride (puissance thermique + puissance de recharge des batteries) ; ce point de fonctionnement diffère du deuxième au niveau des puissances.

• Point de fonctionnement 4 : mode tout électrique (puissance électrique).

Le Tableau 3.1 résume les caractéristiques mécaniques qui seront utilisées comme paramètres d’entrée pour le calcul des fonctions coût liées au profil de mission, en négligeant les pertes de la transmission mécanique.

La répartition des puissances pour ces 4 cycles de fonctionnement est présentée dans la Tableau 3.2. Cette répartition des puissances entre les roues du véhicule, le moteur thermique et les deux machines électriques permettra d’exprimer les couples et les vitesses de ces quatre éléments via le modèle cinématique du train Ravigneaux qui sera présenté dans les parties suivantes.

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On peut noter que le fonctionnement du moteur thermique interagit avec la conception optimale, puisqu’il influence la stratégie de pilotage et la répartition des puissances entre les composants de la chaîne de traction du véhicule.

Tableau 3.1 Caractéristiques mécaniques aux roues en différents points de fonctionnement Point de fonctionnement (mode) Vitesse moyenne du véhicule (km/h) Puissance aux roues (W) Vitesse du porte satellite 6 lié aux roues (rad/s)

Couple porte satellite 6 lié aux roues (N.m)

P1 (hybride) 60 106608 -71,12 1499

P2 (hybride) 47,5 78737 -56,3 1398

P3 (hybride) 20 63122 -52,68 1198

P4 (électrique) 13,2 26605 -75,1 354

Tableau 3.2 Répartition de puissance basée sur la stratégie de pilotage Point de fonctionnement (mode) Puissance Porte satellite 6 (roues) Puissance moteur thermique Puissance moteurs électriques P1 (hybride) 106608 W 90000 W 16608 W P2 (hybride) 78737 W 90000 W -11264 W P3 (hybride) 63122 W 90000 W -26878 W P4 (électrique) 26605 W 0 W 26605 W