Problématique de la gestion d’énergie (GE)

Pour évaluer l‟apport de l‟hybridation et son potentiel en terme d‟économie de carburant et d‟émissions de polluants par rapport à un véhicule conventionnel, un bilan global doit être considéré en analysant le coût⁹ du cheminement de l‟énergie du « puits à la roue ». Si le véhicule hybride non rechargeable est potentiellement plus performant « du réservoir à la roue », tableau 1.3, son efficacité énergétique dite « du puits au réservoir » est nécessairement la même qu‟un véhicule conventionnel. Bien entendu ces chiffres ne tiennent pas compte du coût de fabrication et de recyclage des stockeurs et des convertisseurs de puissance associés. La réalisation de cette tâche s‟avère laborieuse en raison du nombre de paramètres impliqués et leurs interactions souvent complexes.

Dans le cadre de ce travail, seules les améliorations qui peuvent être apportées au véhicule lui-même, autrement dit, l‟amélioration du rendement énergétique du « réservoir à la roue » sont abordées. Plusieurs pistes, généralement complémentaires, peuvent être envisagées : réduction de la masse du véhicule, choix d‟une architecture favorable, optimisation de la taille des organes de la chaine de traction (dimensionnement), etc. Les travaux présentés dans ce mémoire se concentrent plus particulièrement sur la gestion des flux énergétiques entre les différentes sources d‟énergie et les roues du véhicule.

1.4.1 Principaux modes de fonctionnement d’un VHTE

En plus du mode thermique conventionnel, la présence d‟une ou plusieurs machines électriques dans un véhicule hybride offre des degrés de liberté supplémentaires, i.e. de nouveaux modes de fonctionnement. La figure 1.5 illustre les six principaux modes de fonctionnement.

 L’arrêt du MCI à l’arrêt du véhicule «Start and stop»

Le « Start/stop », figure 1.5 (a), consiste à couper systématiquement¹⁰ le moteur thermique quand aucune puissance n‟est demandée, par exemple lors des arrêts du véhicule à un stop ou dans les embouteillages. Le redémarrage rapide et silencieux est assuré par une machine

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En termes de consommation de carburant et émission de polluants

10 Quand l‟état de la batterie le permet, car si celle-ci est complètement déchargée, le moteur thermique peut la recharger à l‟arrêt du véhicule si l‟architecture choisie le permet. A éviter aussi pendant les phases de chauffe du moteur thermique. Bien entendu, il ne s‟agit pas ici d‟un comportement optimal, mais plutôt d‟éviter un mode dégradé.

Chapitre.1 Chaînes de traction hybrides : Généralités et problématique de gestion d’énergie

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électrique suffisamment puissante. L‟objectif est de supprimer les phases où le moteur thermique fonctionne au ralenti pendant lesquelles le carburant consommé ne produit aucune énergie utile et augmente significativement les émissions de polluants. Selon /Alix. 2008/, pour assurer un démarrage quasi-instantané du MCI (0,3s environ), la machine électrique doit pouvoir fournir au minimum 2,5 kW.

 Le mode tout électrique

Dans ce mode de fonctionnement, la machine électrique assure à elle seule la traction du véhicule. Les performances dynamiques de traction en tout électrique dépendent du dimensionnement de l‟élément de stockage et les puissances maximales que peuvent fournir les machines électriques qui lui sont associées.

Le moteur thermique étant arrêté, il est souhaitable qu‟il soit déconnecté de la machine pour ne pas engendrer une surconsommation. Ceci peut être fait par l‟ajout d‟un embrayage.

 L’assistance électrique « boost »

Cette fonction n‟existe que dans les véhicules hybrides où les deux couples peuvent s‟additionner (architecture hybride parallèle et série/parallèle). Dans ce cas, lors de fortes demandes de puissances par le conducteur – dépassement sur route et autoroute ou forte montée – la machine électrique fonctionne en mode moteur pour servir d‟appoint et participer à la traction du véhicule.

Lorsque la demande de puissance aux roues est importante, la machine électrique permet de limiter la puissance fournie par le moteur thermique et ainsi positionner son point de fonctionnement dans des zones de meilleurs rendements.

 La recharge de la batterie via le moteur thermique « flux série »

Le « flux série » consiste à utiliser le moteur thermique et une machine électrique pour produire de l‟électricité à partir de l‟énergie contenue dans le carburant.

Un des avantages de la présence d‟une seconde source d‟énergie dans un VHTE est de pouvoir déplacer les points de fonctionnement du moteur thermique. Par exemple, quand le véhicule avance à vitesse stabilisée, il est possible d‟augmenter légèrement la charge du moteur thermique lui permettant ainsi de fonctionner dans une zone de meilleur rendement. Le supplément d‟énergie est ensuite récupéré par la machine électrique pour recharger la batterie quand la capacité de celle-ci le permet. Notons que ce mode peut être utilisé aussi à l‟arrêt du véhicule pour éviter une décharge trop importante de la batterie, quand l‟architecture le permet.

 La récupération au freinage

Lors des phases de freinage ou de décélération du véhicule, la machine électrique fonctionne en mode générateur et récupère l‟énergie cinétique de freinage pour recharger la batterie.

Si le stockeur a atteint sa limite de charge maximale, le frein mécanique prend le relais pour continuer de décélérer le véhicule jusqu‟à l‟arrêt et l‟énergie cinétique sera dissipée sous forme de chaleur dans les freins comme c‟est le cas dans les véhicules conventionnels.

Figure 1.5 : Principaux modes de fonctionnement d’un véhicule hybride

(A) «Start/Stop» (B) Flux Série à l‟arrêt véhicule

RE S BA T MC I ME RE S BA T MC I ME RE S BA T MC I ME

(A) Electrique (B) Boost

(D) récupération au freinage (C) Flux Série RE S BA T MC I ME RE S MC I ME BA T RE S MC I ME BA T

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1.4.2 Gestion des auxiliaires

La part des auxiliaires électriques devient de plus en plus importante dans les véhicules. Cette augmentation est liée à l‟amélioration de la sureté de fonctionnement et au confort (éclairage, direction assistée, climatisation, etc.) et engendre une surconsommation de carburant. Elle est cependant difficile à évaluer car l‟utilisation de ces auxiliaires est très dépendante des conditions extérieures. Dans un véhicule conventionnel, leur alimentation se fait par la batterie 12V, ou par l‟alternateur.

Dans un véhicule hybride la puissance consommée par les accessoires électriques peut être soit fournie par un moteur thermique via la machine électrique, soit prélevée sur la batterie de traction via un convertisseur DC/DC. Il est alors possible de gérer – et donc d‟optimiser – ce flux de puissance afin de minimiser la consommation de carburant.

1.4.3 Position du problème de la gestion d’énergie

La présence d'une seconde source d‟énergie réversible dans un groupe motopropulseur hybride introduit des degrés de libertés supplémentaires dans la réalisation de la puissance demandée par le conducteur. Il est donc nécessaire de trouver une manière « efficace » de partager cette puissance entre les différentes sources. Effectivement une mauvaise gestion énergétique peut amener à des résultats « absurdes » : consommations analogues, voire supérieures de celles d‟un véhicule conventionnel équivalent, à cause du surpoids qu‟engendrent les batteries, les machines électriques, l‟électronique de puissance associée, etc.

Le problème de la gestion énergétique revient alors à trouver la meilleure répartition de la puissance demandée par le conducteur entre les différentes sources d‟énergie, de manière à minimiser un critère. Ce dernier peut-être basé sur la consommation de carburant, les émissions de polluants, la durée de vie de composants, le confort de conduite, etc. En raison de la difficulté de prise en compte quantitative de certains paramètres de nature subjective – confort de conduite – et de la complexité de certains modèles – vieillissement de la batterie – les critères considérés sont souvent la consommation énergétique du véhicule et/ou les émissions de polluant.

Les algorithmes permettant de résoudre ce problème d‟optimisation sont appelés « lois de gestion d‟énergie » ou encore « stratégie de commande ». A chaque instant, les stratégies de commande calculent donc les commandes de démarrages/arrêts du moteur thermique, les points de fonctionnement de chaque organe de traction ainsi que les alternances de phases de recharge/décharge de l‟élément de stockage d‟énergie. Le conducteur peut forcer certains

modes de fonctionnement, par exemple la Toyota Prius II dispose d‟un bouton « ZEV » (Zero Emission Vehicle) permettant de forcer le mode « tout électrique » en ville.