Modélisation

8.1.1.1 Bus conventionnel

Les modèles des trois bus à comparer (hybride électriques avec batteries NiMH ou supercapacités et hybride hydraulique) sont basés sur un modèle de bus conventionnel de type A300 de la société VANHOOL illustré à la Figure 8.1. C'est un bus classique de 12 mètres de long, utilisé dans le transport en commun en Belgique.

Figure 8.1: Bus Vanhool 300 [Vanhool, 2008]

Il possède 33 places assises et une capacité maximale de 110 passagers. Le bus possède un moteur MAN de 205 kW. Il est modélisé par une chaîne de traction conventionnelle se trouvant dans la librairie standard d'ADVISOR (Figure 8.2). La chaîne de traction est constituée d'un moteur thermique, un embrayage, une boîte de vitesse à 5 vitesses et une transmission.

Figure 8.2: Configuration d'un véhicule conventionnelle dans ADVISOR

La gestion du moteur thermique et de l'embrayage est basée sur les principes définis par les variables reprises dans la Table 8.1. Le moteur doit rester au ralenti quand le véhicule est à l'arrêt (vc_idle_bool=1). Les décélérations s’effectuent avec la pédale d’accélérateur relâchée et l’embrayage embrayé (vc_clutch_bool=0). Les changements de rapport dépendent de la charge et non pas des vitesses fixées (tx_spd_dep=0) et la durée de changement de vitesse (gb_shift_delay) est nulle pour dire que les pertes dues au changement de vitesse ont été négligées.

Paramètres Noms Valeurs Unités

Ralenti autorisé vc_idle_bool 1 /

Vitesse de ralenti Vc_idle_spd 68 rad/s

Embrayage débrayé lors des décélérations vc_clutch_bool 0 /

Vitesse d’embrayage vc_launch_spd 85 rad/s

Durée du changement de vitesse gb_shift_delay 0 s

Changement de rapport à des vitesses fixes Tx_spd_dep 0 /

Table 8.1: Paramètres de gestion du bus conventionnel dans ADVISOR

Comme aucune information sur le moteur original MAN n'était disponible, il a été substitué dans notre étude par un moteur diesel de 205 kW dont la cartographie est disponible dans ADVISOR et est reprise à la Figure 8.3.

Figure 8.3: Cartographie du rendement du moteur thermique

La masse totale du véhicule pour la simulation est égale à la masse du châssis plus la masse de la cargaison. Suite à des fluctuations de fréquentation le long de la journée, le nombre de passagers a été fixé arbitrairement à 66 personnes en supposant que le bus est toujours rempli

à 60% en moyenne. Ce qui donne une masse de 4950 kg en raison de 75 kg par passager.

Toutes ces caractéristiques et hypothèses seront maintenues pour les bus hybrides électriques et hydrauliques.

Puissance maximale 205 kW Moteur ICE

Rendement maximal 44%

Surface frontale 7,24 m² Aérodynamiques

Cx 0,79

Résistance au roulement 0,00938 Pneumatique

Rayon des roues 0,5 m

Masse Masse 16242 kg

Table 8.2: Caractéristiques du bus conventionnel de référence

8.1.1.2 Bus hybride électrique avec batteries NiMH

Pour une comparaison objective, l’architecture hybride parallèle douce a été retenue. Comme on l’a déjà expliqué, les systèmes hybrides hydrauliques et électriques avec supercapacités sont plus adaptés à une architecture hybride parallèle quoi que l’architecture série puisse également être utilisée dans certaines applications particulières. Il faut développer un modèle de bus hybride électrique avec le même type de moteur thermique que le bus conventionnel à partir de configuration parallèle disponible dans ADVISOR.

2.6.1 Les batteries

Les batteries NiMH ont été retenues pour la simulation pour les mêmes raisons évoquées au chapitre 3. Le modèle des batteries NiMH sélectionné dans ADVISOR est représenté par une source de tension mise en série avec une résistance interne (Figure 8.2). Mais la caractéristique importante est la résistance à la charge/décharge en fonction de l’état de charge des batteries (Figure 8.3). Sur la Figure 8.3, la courbe de dessus représente la résistance à la décharge et celle en dessous la résistance à la charge. La tendance de la courbe suggère qu’il ne faut pas décharger trop la batterie car il sera difficile de la recharger. Il ne faut pas la charger trop non plus parce qu’il sera difficile de soutirer de l’énergie par la suite. Mais le cas des batteries NiMH ne pose pas de problème à ce niveau car la résistance charge/décharge est faible. La profondeur de décharge influe sur la durée de vie des batteries et permet de déterminer la quantité d'énergie nécessaire à la recharge et les émissions liées au système de production du courant pour le véhicule électrique. Mais dans notre modèle, c'est le moteur

thermique qui recharge les batteries et l'énergie consommée à cet effet se retrouve dans la consommation du véhicule. La profondeur de décharge correspond au seuil minimal de décharge fixé par les paramètres de contrôle. La table 9.4 donne un état de charge minimal (cs_lo_soc) de 0,4 qui correspond à une profondeur de décharge de 60%.

Figure 9.2: Modèle de batterie ADVISOR

Figure 8.3: Résistance à la charge (bleu) et à la décharge (vert) des batteries NiMH

Type de batterie Ni-MH – taille D (33/62) Tension nominale des cellules 1,2 V

Capacité 6,5 Ah

Cellules par module 6

Masse d'un module 1,09 Kg

Table 8.3: Caractéristiques des batteries NiMH

Figure 8.4: Pack de batteries NiMH de la Honda Insight

2.6.2 Le moteur électrique

Le moteur électrique sélectionné est un moteur asynchrone à courant alternatif dont les modèles basés sur le rendement sont également disponibles dans ADVISOR (Figure 9.5). Le modèle AC75 a été retenu et ses caractéristiques sont les suivantes:

- Puissance maximale: 75 kW - Rendement maximal: 92%

- Poids: 91 kg

Figure 8.5: Courbes de rendement du moteur électrique AC75

2.6.3 Stratégie de gestion de l’énergie

La stratégie de contrôle sélectionnée est celle du système parallèle pour les véhicules hybrides électriques doux basée d’une part, sur l’utilisation du moteur électrique lorsque une puissance additionnelle est nécessaire, et sur le fait que le système essaie de maintenir la charge des batteries d’autre part. Le moteur électrique est utilisé dans plusieurs cas:

- Le moteur électrique fournit le couple nécessaire à la propulsion pour autant que la vitesse du véhicule ne dépasse pas un certain seuil.

- Le moteur électrique sera sollicité pour fournir le complément de couple si le couple exigé est plus grand que ce que peut fournir le moteur thermique sans dépasser sa plage de fonctionnement optimal.

- Le moteur électrique charge les batteries par freinage récupératif.

- Quand le moteur thermique tourne inefficacement à une vitesse donnée, il est coupé et le moteur électrique produit le couple exigé.

- Quand l’état de charge (SOC) est bas, le moteur thermique fournit un excès de couple qui est employé par la génératrice pour charger les batteries.

Les variables qui déterminent les limites de la stratégie de contrôle sont reprises à la Table 9.4 et leur influence sur le fonctionnement du moteur est montrée sur la Figure 9.6.

Figure 8.6: Influence de la stratégie de contrôle sur le fonctionnement du moteur

VARIABLE DESCRIPTION VALEURS PAR DEFAUT

cs_hi_soc Limite supérieure de l'état de charge des batteries 0.7 cs_lo_soc Limite inférieure de l'état de charge des batteries 0.4 cs_electric_launch_spd Vitesse du véhicule en-dessous de laquelle la propulsion est assurée

uniquement par le moteur électrique (zéro émissions)

0

cs_off_trq_frac Couple en-dessous duquel le moteur est coupé si SOC>cs_lo_soc (fraction du couple maxiaml)

0

cs_min_trq_frac Couple minimal en-dessous duquel le moteur thermique peut charger les batteries via le moteur électrique (générateur) si SOC< cs_lo_soc

0.4

cs_charge_trq Couple nécessaire pour recharger le pack de batteries lorsque le moteur électrique est allumé.

0.25. min (fc_max_trq)

vc_idle_bool Variable booléenne pour autoriser (1) ou non (0) le ralenti 0

Table 8.4: Description des variables de la stratégie de contrôle électrique parallèle

Le fonctionnement en "tout électrique" n'a pas été autorisé (cs_electric_launch_spd = 0 et cs_off_trq_frac = 0)pour favoriser le fonctionnement en hybride doux où le moteur électrique est uniquement appelé pour l'assistance au moteur thermique pendant les phases d'accélération et à la relance. Le ralenti n'est pas non plus autorisé (vc_idle_bool=0), c'est-à-dire que le moteur est coupé à l'arrêt et est relancé par le moteur électrique.

8.1.1.3 Bus hybride électrique avec Supercapacités

Le modèle du bus hybride électrique avec supercapacités est semblable au modèle du bus hybride électrique avec batteries. La seule différence réside dans les caractéristiques des systèmes de stockage d’énergie. ADVISOR dispose d’un modèle de supercapacités. Nous avons opté pour le modèle Maxwell BMOD0018-390V qui est plus récent et dont les caractéristiques sont mieux connues notamment le coût (3200€ par module) [Maxwell, 2008].

De plus c'est un modèle conçu pour la traction des véhicules lourds. Les caractéristiques du module Maxwell BMOD0018-390V sont à la Table 8.5.

Item Performance

Nominal operating Voltage [Vdc] 390 V Nominal capacitance [F] 17.8F DC serie resistance [mΩ^{] 65} Energy Available (Whr) 282 Self discharge [% of initial V] 50%

Maximum Continuous Current [A] 150 A

Max current [A] 950A

Lifetime 390V, RT [hours] 150000 Cycles 390 to 62.5 Vdc, RT [cycles] 1 000 000 Isolation Voltage [Vdc] 3500V Min operating T [°C] -40 Maximum Operating T [°C] +65

Sizes (mm): LxWxH 1200x629x288

Weight (kg) 165

Table 8.5: Caractéristiques du module Maxwell BMOD0018-390V [Maxwell, 2008]

Un module du modèle Maxwell BMOD0018-39 correspond à 153 modules du modèle ADVISOR en termes d'énergie stockable.

8.1.1.4 Bus hybride Hydraulique

a. Dimensionnement des composants hydrauliques

Comme il n'y a pas de modèles des composants hydrauliques dans ADVISOR, des modèles électriques équivalents ont été développés à partir des composants électriques disponibles. Le rapprochement des systèmes hydrauliques et des supercapacités en termes de faible capacité de stockage d’énergie et d’une puissance énergétique élevée par rapport aux batteries suggère de dériver le modèle hybride hydraulique à partir du modèle hybride électrique avec supercapacités. Pour le dimensionnement, il nous faut trouver le nombre de modules de supercapacités correspondant à un accumulateur hydraulique en termes de quantité d'énergie

stockable et la masse équivalente est déterminée à partir de la masse des accumulateurs, des réservoirs et du volume de liquide nécessaires.

Accumulateurs:

Les accumulateurs Hydac [Hydac, 2006] de 15 gallons sont considérés dans cette analyse. Au chapitre deux, nous avions trouvé que 5 accumulateurs Hydac pouvaient stocker 770Wh avec un volume minimal de 200l d'eau, ce qui correspond à 4 réservoirs Hydac de 50l chacun. Un modèle de supercapacités est disponible dans ADVISOR et ses caractéristiques sont les suivantes:

- Puissance spécifique: 2.5kW/kg - Énergie spécifique: 6Wh/kg - Capacité: 2,1Ah

- Tension par cell: 2,5V - Masse par module: 0.408kg

Le système hydraulique de 5 accumulateurs et 4 réservoirs pèse 1194 kg (voir chapitre 3).

Pour stocker 0,770 kWh, il faut 129kg de supercapacités dans le modèle ADVISOR (770Wh/6Wh/kg). Ce qui fait 316 (129kg/0.408kg/module) modules de supercapacités dans le modèle ADVISOR ou 2 modules du modèle Maxwell BMOD0018-390V (on sait qu'un modèle Maxwell BMOD0018-390V correspond à 153 modules du modèle ADVISOR). Au final, un module de supercapacités dans le modèle ADVISOR correspond à 0,0158 (5/316) accumulateurs avec 0,01975 (5/4*0,0158) réservoirs. Le fluide considéré est l’eau parce que nous avons pu montrer la faisabilité technique d’un moteur pompe qui puisse fonctionner à l’eau [Duysinx P. et al. 2005] sans avoir besoin de lubrifiant. L’avantage d’utiliser l’eau comme fluide hydraulique au lieu de l’huile est lié au fait que l’eau est moins chère et est propre en matière de pollution de l'environnement.

Moteur pompe:

Concernant le moteur pompe, le modèle PE60 décrit au chapitre 3 a été considéré ici. Comme pour les moteurs pompes hydrauliques, les modèles des moteurs électriques disponibles dans ADVISOR sont basés sur le rendement. Le modèle du moteur/pompe est donc dérivé du modèle d’un moteur AC75 asynchrone disponible dans ADVISOR. La masse doit être corrigée car le moteur électrique est plus lourd que le moteur pompe. Par contre le rendement du moteur reste le même car le moteur pompe PE60 atteint un rendement de 92% à 300 bars

(voir caractéristiques au chapitre 3). Mais cette comparaison est très approximative, car le moteur électrique et le moteur pompe ont des caractéristiques différentes.