N m ] 2 4 6 8 10 12 x 104
Figure 5.2.9 – Répartition dans le plan couple/vitesse de l’énergie (exprimée en Joule) de la machine électrique sur les cycles UL1 à UF2 en mode moteur et générateur
5.3 Spécifications de la batterie
La puissance de la batterie doit être choisie en accord avec la puissance de la machine électrique. On a constaté précédemment qu’une puissance de machine élec-trique d’environ 25 kW était suffisante pour atteindre l’asymptote de gain en émis-sions de CO2. Dans le cas d’une batterie de tension nominale de 48V, cela correspond à un courant maximal de 520A. On ne va pas s’étendre davantage sur le dimension-nement en puissance de la batterie, par contre on va se focaliser maintenant sur un critère impactant fortement son coût de production : la capacité minimale requise pour garantir le maximum de gains en émissions de CO2.
Pour étudier l’influence de la capacité batterie sur les gains CO2, on fait varier les contraintes sur les limites de l’état de charge de la batterie (xmin, xmax). On réduit progressivement dans les simulations cette plage de fonctionnement et on observe l’évolution des gains en émission de CO2. La Figure 5.3.1 montre l’évolution de l’énergie stockée dans la batterie sur un cycle NEDC, pour différentes amplitudes de variation d’énergie utile autorisées (200Wh, 100 Wh, 50 Wh et 20 Wh).
5.3 Spécifications de la batterie
Figure 5.3.1 – Evolution de l’énergie stockée dans la batterie sur cycle NEDC (tra-jectoire optimale en rouge) en imposant différentes limitations sur l’état de charge batterie – Les lignes bleu et verte correspondent res-pectivement au niveau d’énergie maximale et minimale de la batterie Une diminution de l’énergie stockée dans la batterie signifie que celle-ci délivre de la puissance électrique et inversement une augmentation de Ebatt correspond à une phase de recharge de la batterie par le moteur thermique ou par les roues (récupération d’énergie au freinage). L’influence de la plage de fonctionnement de la batterie sur la trajectoire optimale est clairement visible. Tant que la plage de fonctionnement de la batterie est supérieure à 100 Wh (Figure 5.3.1 a) et b)), la consommation du véhicule n’est pas affectée. Mais en-dessous de cette valeur (50 Wh et 20 Wh - voir Figure 5.3.1 c) et d)), la consommation du véhicule sur le cycle NEDC augmente car la capacité batterie utilisable n’est plus suffisante pour permettre une récupération totale de l’énergie au freinage.
En réduisant progressivement la plage de fonctionnement (∆E) de la batterie, il est possible de tracer la courbe Gains CO2 = f (∆E) représentée sur la Figure 5.3.2. On constate alors qu’à partir de 80 Wh, les gains CO2 sont maximisés.
La valeur de 80 Wh se corrèle avec la quantité d’énergie cinétique de 94 Wh pouvant être récupérée à la fin du cycle NEDC quand la vitesse du véhicule passe très rapidement de 120 km/h à 0 (voir Figure 5.3.3). Le besoin de stockage légèrement inférieur au 94 Wh à la roue s’explique par les pertes liées au cascading de rendement
ϮϬй ϮϮй Ϯϰй Ϯϲй Ϯϴй ϯϬй ϯϮй ϯϰй Ϭ ϱϬ ϭϬϬ ϭϱϬ ϮϬϬ ϮϱϬ ' Ă ŝŶ Ɛ KϮ й ȴ tŚ ϴϬtŚ
Figure 5.3.2 – Représentation des gains CO2 en fonction de ∆E sur cycle NEDC entre la roue et la batterie (rendement de transmission mécanique et de la machine électrique).
Tant que la capacité utile de stockage d’énergie de la batterie est supérieure à cette énergie, le système peut récupérer intégralement l’énergie de freinage. Si la capacité de stockage d’énergie dans la batterie devient inférieure, l’énergie de freinage n’est pas totalement récupérée et la consommation sur cycle augmente.
0 200 400 600 800 1000 0 100 Temps [s] V it e s s e v é h ic u le [ k m /h ] 0 200 400 600 800 1000 0 500 1000 E n e rg y [ W h ] 94 Wh
Figure 5.3.3 – Vitesse véhicule sur cycle NEDC et énergie à la roue
La même méthodologie a été mise en œuvre pour chaque cycle INRETS. Le résul-tat des simulations montre qu’une amplitude de stockage batterie de 60 Wh permet de minimiser la consommation sur l’ensemble des cycles représentatifs clients.
5.4 Conclusion Ϭ ϭϬ ϮϬ ϯϬ ϰϬ ϱϬ ϲϬ ϳϬ Ϭ ϮϬ ϰϬ ϲϬ ϴϬ ϭϬϬ ȴ ŵ ŝŶ ŝŵ Ƶ ŵ t Ś sŝƚĞƐƐĞŵŽLJĞŶŶĞƐƵƌĐLJĐůĞƐ/EZ d^ŬŵͬŚ LJĐůĞƐ hƌďĂŝŶƐ LJĐůĞƐ ZŽƵƚĞƐ LJĐůĞƐ ƵƚŽƌŽƵƚĞƐ
Figure 5.3.4 – Capacité de stockage d’énergie dans la batterie minimale permettant de minimiser la consommation véhicule en fonction de sa vitesse moyenne sur cycle
En complément et en inhibant la récupération de l’énergie de freinage dans les simulations, il est possible, avec le même principe que précédemment, d’estimer les besoins en capacité batterie pour assurer l’optimisation du point de fonctionnement du moteur thermique. On constate alors que la consommation en carburant aug-mente dès lors que la plage de fonctionnement de la batterie devient inférieure à 10 Wh quel que soit le cycle automobile suivi.
Pour minimiser la consommation du véhicule, ces résultats confirment que le di-mensionnement de la capacité batterie est lié au besoin de maximiser la récupération de l’énergie cinétique du véhicule. Toutefois, des prestations de fonctionnement ZEV (Zéro Emission Véhicule) souvent demandées par le client pourront devenir dimen-sionnantes et impacter le coût du système.
Enfin, on peut remarquer qu’une augmentation du rendement de la machine élec-trique conduira à solliciter plus fortement et plus fréquemment la branche élecélec-trique donc la batterie. En conséquence, les besoins en capacité batterie augmenteront légèrement.
5.4 Conclusion
L’exploitation du modèle de chaîne de traction hybride parallèle optimisée a per-mis de caractériser les sollicitations des organes électriques de puissance sur l’en-semble des cycles représentatifs d’usages clients. Il a été montré la nécessité d’opti-miser la machine électrique par rapport à l’optimisation du point de fonctionnement du moteur thermique pour les cycles urbains lents et à la récupération d’énergie au freinage pour les cycles urbains fluides et routiers. Pour les cycles routiers rapides et autoroutiers, l’amélioration du rendement de la machine électrique n’aura qu’un
faible impact sur l’amélioration des gains CO2 car :
— le besoin de recourir à la machine électrique reste faible pour optimiser le point de fonctionnement du moteur thermique, et on préfèrera jouer sur les rapports de transmission pour améliorer la performance du système (ajout d’un sixième rapport long)
— même si les puissances de récupération d’énergie sont élevées, leur fréquence d’apparition ne justifie pas d’optimiser le rendement de la machine électrique. Des cartographies de répartition de l’énergie des sollicitations dans le plan couple/vitesse ont été établies par rapport aux cycles dimensionnants (Urbain et routier). Elles permettent d’identifier des zones de fonctionnement de la machine électrique à fort impact sur la consommation du véhicule et orientent ainsi la conception d’une ma-chine électrique dédiée. De plus, l’influence de la puissance de la mama-chine électrique sur les gains en émission de CO2 a été observée et révèle qu’une puissance nomi-nale d’une vingtaine de kW est suffisante pour atteindre l’asymptote des gains en émissions de CO2pour un véhicule du segment B.
Le besoin de capacité de stockage d’énergie de la batterie pour garantir la consom-mation minimale a également été estimé par simulation sur cycles d’homologation (NEDC) et représentatifs d’usages clients. Il repose au premier ordre sur la maxi-misation de la récupération d’énergie au freinage et on montre qu’il est nécessaire de disposer d’une capacité utile de stockage dans la batterie inférieure à 100 Wh pour atteindre l’asymptote des gains quelque soit le cycle. Ce niveau de capacité disponible apparait relativement faible et ne devrait, a priori, pas être dimension-nant sachant que pour répondre aux attentes clients, d’autres facteurs vont inter-venir pour dimensionner la capacité totale de la batterie, en particulier l’autonomie ZEV requise. A titre de comparaison, la majorité des véhicules HEV commerciali-sés aujourd’hui disposent d’une capacité batterie d’environ 1 kWh, donc largement suffisante pour garantir la consommation minimale.
Chapitre 6
Définition de la machine électrique et
performance énergétique du système
Une chaîne de traction hybride efficiente aura une réelle contribution aux problé-matiques environnementales et énergétiques si elle est financièrement accessible au plus grand nombre. Aussi, la logique poursuivie dans ce chapitre consiste à évaluer le potentiel de réduction des émissions de CO2 d’une machine électrique de type alterno-démarreur, déjà largement déployée dans le domaine automobile et pour la-quelle les coûts de production sont optimisés. L’alterno-démarreur pris en exemple équipe aujourd’hui les motorisations eHDI du groupe PSA Peugeot Citroën pour assurer la fonction de Stop and Start (voir photo Figure 6.0.1). Il est proposé de conserver les paramètres géométriques de cette machine électrique, mais d’adap-ter son alimentation en courant et tension aux exigences en puissance spécifiées au chapitre 5. Il est pris comme hypothèse une alimentation par une batterie de 48V pouvant débiter un courant de 500A, soit une puissance électrique maximale disponible de 24 kW.
Deux variantes de structures de machines électriques dérivées de l’alterno-démarreur sont comparées. Elles utilisent le même stator, mais leurs rotors sont différents. La première machine génère au rotor une force magnétomotrice constante grâce à des ai-mants enterrés. On l’appellera MSAP (Machine Synchrone à Aiai-mants Permanents). La deuxième, appelée MSRB (Machine Synchrone à Rotor Bobiné), utilise un bo-binage d’excitation à l’image d’un alterno-démarreur pour créer au rotor une force magnétomotrice modulable. Ces deux machines sont modélisées pour déterminer des cartographies de pertes, données d’entrée des calculs de la performance en émissions de CO2 du véhicule.
Dans ce chapitre, les systèmes électromécaniques sont présentés et leurs modé-lisations par réseau de réluctances sont détaillées. Les cartographies de pertes des machines électriques étudiées sont calculées, puis intégrées dans le modèle de gestion optimale de la chaîne de traction afin de déterminer les gains en émission de CO2. La comparaison des résultats permet d’identifier des axes de progrès pour la définition de la machine électrique et de proposer des évolutions au niveau de l’architecture de la chaîne de traction hybride parallèle pour accroître sa performance en émission de CO2.
6.1 Définition du système électromécanique
Afin de répondre aux exigences croissantes des constructeurs automobiles liées à l’alimentation du réseau de bord, les puissances des alternateurs ont été progressi-vement augmentées [72]. Puis le besoin d’intégrer la fonction « Stop and Start » a amené les équipementiers à les modifier notamment au niveau de l’électronique de puissance pour les rendre réversibles et créer ainsi une gamme d’alterno-démarreurs. Si dans un premier temps, une alimentation en 12V a été suffisante pour répondre aux besoins en puissance, de nouvelles générations en 48V sont en train d’être veloppées pour l’application MHEV et étendre le champ de prestations. Cette dé-marche de conception dite Kaizen, mise en œuvre sur plus de 20 ans, est ciblée sur l’amélioration continue de la performance de ces machines sans générer de pro-fondes modifications. Elle vise un maximum de reconduction de composants et doit permettre, si les performances physiques requises sont atteintes, de limiter les inves-tissements et de proposer des machines électriques à un coût minimal.
La Figure 6.1.1 présente le système électromécanique étudié. Il se compose d’un onduleur réversible (type MLI) alimenté par une tension continue Ubatt = 48V déli-vrée par une batterie Li-ion et d’une machine électrique triphasée synchrone à rotor bobiné (MSRB) ou à aimants permanents (MSAP).
Le stator (voir Figure 6.1.2a) est constitué de tôles isolées comportant les encoches pour recevoir le bobinage distribué. Une encoche par pôle et par phase est considérée et les enroulements triphasés, déphasés de 120°, sont couplés en triangle. Chaque phase se compose de 4 spires de 4 fils en parallèle permettant d’homogénéiser la distribution des courants dans les conducteurs et d’éviter les effets de peau.
Le rotor de la machine MSRB se compose de deux plateaux à griffes réalisés avec un matériau ferromagnétique massif qui enserrèrent un bobinage d’excitation
ali-6.1 Définition du système électromécanique hďĂƚƚ ƵĂ Ƶď ƵĐ ŝĂ ŝĐ /ď KŶĚƵůĞƵƌ DĂĐŚŝŶĞĠůĞĐƚƌŝƋƵĞ ŝĞdžĐ ё ĂƚƚĞƌŝĞ
Figure 6.1.1 – Schéma du système électromécanique
menté en courant continu (Iexc). Les griffes constituent les 8 paires de pôles (p = 8) (voir Figure 6.1.2b). La machine étudiée a la particularité d’intégrer des aimants permanents, insérés entre les griffes. Ils ne contribuent pas directement à la produc-tion du couple électromagnétique mais ils sont censés limiter les fuites du champ d’excitation entre les griffes.
(a) Stator à enroulements distribués (b) Rotor à griffes
Figure 6.1.2 – Vues du stator et du rotor d’un alterno démarreur
La machine synchrone à aimants permanents utilise le même stator que la machine à griffes. Par contre, le rotor a été remplacé par un rotor à aimants permanents enterrés (voir Figure 6.1.3). La géométrie du système est conservée : même longueur active, même diamètre de rotor et de stator, même nombre de paires de pôles, ...
Figure 6.1.3 – Vue en coupe de la machine synchrone à aimants permanents