Réseaux de contradictions

4.2.3.1 Introduction

L’observation des systèmes conduit à relever un ensemble de contradictions tech-niques (CT) et physiques (CP). Leur analyse permet d’enrichir la réflexion précè-dente. Les contradictions retenues portent sur :

— la puissance et le rendement du moteur thermique,

— la vitesse de rotation et le rendement du moteur thermique

4.2.3.2 Contradictions sur la puissance et le rendement du moteur thermique

Le rendement du moteur thermique est fonction de son point de fonctionnement. Son rendement maximal de 34% est atteint pour un point de fonctionnement cor-respondant à une puissance de 26 kW (72 Nm – 366 rad/s) (cf Figure 4.2.1).

Figure 4.2.1 – Cartographie du moteur thermique essence - Indication du point de rendement maximal (point bleu)

4.2 Analyse critique des chaînes de traction fondée sur la démarche TRIZ

CT : En optimisant le point de fonctionnement du moteur thermique, on produit

des pertes dans la branche électrique

CP : La puissance du moteur thermique doit correspondre à son point de

rende-ment maximal pour maximiser le renderende-ment de la branche thermique et égale à la puissance à la roue pour limiter les pertes dans la branche électrique.

L’hybridation série et l’hybridation combinée permettent de faire fonctionner le moteur thermique à ses points de meilleur rendement quelle que soit la situation de vie. En contrepartie, le rendement global de la chaîne de traction se trouve dégradé par les pertes induites par la permanente utilisation de la branche électrique. Les principes de fonctionnement de ces deux architectures conditionnées par l’utilisation des organes électriques n’offrent donc pas une opportunité de sortie de compromis entre le fait d’utiliser la branche électrique pour augmenter le rendement du moteur thermique et de s’en affranchir pour limiter les pertes électriques.

L’hybridation parallèle DSR, fortement contrainte par les vitesses à la roue, voit ses rendements de moteur thermique (voir Figures 4.1.6 et 4.2.2) en retrait par rapport aux deux précédentes hybridations, tout en présentant une performance en émission CO2 améliorée, conséquence d’un équilibre judicieux entre pertes ther-miques et électriques. Ce constat reste valable pour l’hybridation parallèle CSR, qui possède en plus l’avantage d’un degré de liberté supplémentaire sur la vitesse de ro-tation du moteur thermique par rapport aux roues. Ces architectures permettent de sortir partiellement d’une situation de compromis pour optimiser le point de fonc-tionnement du moteur thermique à faible coût énergétique associé à l’utilisation de la branche électrique.

La Figure 4.2.2 montre comment le moteur thermique est sollicité pour chacune des chaînes de traction hybrides. Le principe d’optimalité tend à faire fonctionner chaque chaîne de traction au plus près de l’OOL.

Figure 4.2.2 – Visualisation des points de fonctionnement moteur thermique pour les différentes hybridations sur cycle NEDC

4.2.3.3 Contradictions sur la vitesse et le rendement du moteur thermique CT : L’efficacité maximale du moteur thermique est obtenue à une vitesse fixe.

Ce constat conduit à intégrer un organe de couplage, à rapport de vitesses variables entre le moteur thermique et les roues, qui augmente la complexité du système.

CP : La vitesse du moteur thermique doit être fonction de la vitesse des roues

et indépendante de la vitesse des roues pour optimiser le rendement du moteur thermique.

L’hybridation parallèle DSR assure un couplage mécanique direct du moteur mique avec les roues. Pour optimiser les points de fonctionnement du moteur ther-mique, chaque rapport de vitesse doit être judicieusement choisi. Plus leur nombre est important et meilleure sera la performance globale du système, jusqu’à obte-nir un système de couplage idéal à rapport continu de vitesses type CSR. Mais en contrepartie, on augmente la masse, le volume et la complexité du système. Toute-fois, on constate que la boîte de vitesses à 5 rapports utilisée dans les simulations conduit pour une vitesse moyenne sur cycle inférieure à 60 km/h à quasiment la même efficacité de chaîne de traction que l’hybridation parallèle CSR (cf Figure 4.2.3). Pour les cycles à vitesses moyennes supérieures à 60 km/h, l’ajout d’un rap-port supplémentaire doit permettre de converger sur la performance de l’hybride

4.2 Analyse critique des chaînes de traction fondée sur la démarche TRIZ parallèle CSR. Ϭй ϱй ϭϬй ϭϱй ϮϬй Ϯϱй ϯϬй ϯϱй Ϭ ϭϬ ϮϬ ϯϬ ϰϬ ϱϬ ϲϬ ϳϬ ϴϬ ϵϬ ϭϬϬ Z Ğ Ŷ Ě Ğ ŵ Ğ Ŷ ƚ ŵ Ž LJ Ğ Ŷ Đ Ś Ă ŠŶ Ğ Ě Ğ ƚ ƌĂ Đƚ ŝŽ Ŷ  ΀й ΁ sŝƚĞƐƐĞŵŽLJĞŶŶĞǀĠŚŝĐƵůĞƐƵƌĐLJĐůĞƐ/EZd^΀ŬŵͬŚ΁ ZĞĨ^Z ^Z ^ĠƌŝĞ ͬͬ^Z ͬͬ^Z ŽŵďŝŶĠ ϱĐLJĐůĞƐ ƵƌďĂŝŶ ϯĐLJĐůĞƐ ƌŽƵƚĞ ϮĐLJĐůĞƐ ĂƵƚŽƌŽƵƚĞ

Figure 4.2.3 – Rendements moyens des chaînes de traction sur des cycles INRETS Dans les phases de récupération d’énergie au freinage, la commande optimale conduit à arrêter le moteur thermique et son alimentation en carburant. Afin de s’affranchir des pertes par frottement et par pompage du moteur thermique, il doit être désaccouplé des roues en utilisant, par exemple, un organe auxiliaire (roue libre, embrayage, crabot,. . . ) ou un système CSR. A basse vitesse et pour les phases de démarrage, l’hybridation parallèle DSR nécessite un embrayage pour adapter la vitesse du moteur thermique aux roues, organe dont on peut s’affranchir pour les autres hybridations car la fonction est intrinsèque à chacune de ces architectures.

4.2.3.4 Bilan des contradictions

L’hybridation série n’offre pas de solution technologique performante de levée de contradiction. Son principe de fonctionnement sollicite fortement la branche élec-trique au travers d’un « cascading » de rendement. La performance de ce système repose en permanence sur l’efficacité de la branche électrique qui transmet l’intégra-lité de la puissance aux roues et ce quelle que soit la situation de vie. Elle présente toutefois un intérêt pour assurer les phases de démarrage en électrique pur ou en hybridation série si l’énergie résiduelle dans la batterie est insuffisante pour répondre à la demande.

A contrario, l’hybridation parallèle (DSR ou CSR) permet de sortir d’une situa-tion de compromis par le couplage direct du moteur thermique aux roues limitant ainsi les étages de rendement. Pour optimiser le point de fonctionnement du moteur thermique, la branche électrique se trouve sollicitée au juste nécessaire. Pour assu-rer les phases de démarrage, l’architecture parallèle DSR recourt au fonctionnement

pur électrique. Dans le cas où l’énergie stockée dans la batterie est insuffisante, cette architecture nécessite pour effectuer les démarrages, d’intégrer un organe auxiliaire tel qu’un embrayage pour lever la contradiction sur la compatibilité des vitesses de rotation roue / moteur thermique.

L’hybridation CSR lève cette contradiction dans les phases de démarrage. Elle apparait comme une solution idéale, mais elle est conditionnée par la faisabilité d’assurer la fonction de variation continue du rapport de transmission avec une ouverture (plage de rapport de transmission) importante et des organes à très haut rendement.

L’hybridation combinée qui met en œuvre la variation de vitesse en s’appuyant sur un train épicycloïdal et une génératrice voit sa performance en retrait par rap-port à l’hybridation CSR et DSR, conséquence du recours permanent à la branche électrique pour mettre en œuvre la variation continue de rapport de transmission entre le moteur thermique et les roues.

Pour les phases de récupération d’énergie au freinage, les systèmes étudiés convergent tous vers un idéal avec un couplage mécanique direct des roues et de la machine électrique. Pour l’hybridation parallèle DSR, converger vers l’idéalité sous-entend de pouvoir découpler les roues du moteur thermique pour s’affranchir de pertes par frottement et par pompage du moteur thermique, sans complexifier le système. Lever cette contradiction ouvre le débat sur le rôle de la machine électrique et sa capacité à assurer la fonctionnalité de l’embrayage et de synchronisation.