Transformation énergétique du « véhicule aux kilomètres »

1.1.1 Bilan énergétique du déplacement automobile

Les caractéristiques des véhicules et la manière de conduire nécessitent plus ou moins d’énergie pour effectuer le même parcours. Le véhicule peut être assimilé à un réservoir d’énergie qui est alimenté par l’énergie mécanique des organes de traction et qui est vidé par l’énergie consommée par les forces de résistance à l’avancement. Le véhicule peut stocker de l’énergie sous deux formes : sous forme d’énergie cinétique lorsque le véhicule accélère, et sous forme d’énergie potentielle lorsque le véhicule monte en altitude. Le véhicule accélère lorsque l’énergie mécanique apportée dépasse l’énergie dissipée et vice versa. Un conducteur pratiquant l’éco-conduite anticipative pour réduire sa consommation optimise ainsi le niveau d’énergie de son véhicule. En effet, en anticipant un futur arrêt, il arrête d’alimenter son réservoir d’énergie et le vide naturellement sans toucher aux freins pour décélérer. En utilisant ses freins, il aurait augmenté par frottements mécaniques l’énergie consommée et de ce fait vidé inutilement un réservoir que les organes de traction ont alimenté inutilement.

1.1.2 Principe fondamental de la dynamique

longitudi-nale d’un véhicule

Le principe énergétique du « véhicule aux kilomètres » peut être modé-lisé à l’aide d’un modèle longitudinal de l’automobile fondé sur le principe fondamental de la dynamique

m_v ^d

dt^{v(t) = F}^t^{(t) − F}^r^(t), ^(1.1)

avec m_v la masse du véhicule, v la vitesse du véhicule, F_t la force fournie aux roues par les organes de traction. La force totale de résistance à l’avancement F_r découle de la somme d’une multitude de sources

F_r(t) = F_a(t) + F_p(t) + F_g(t) + F_l(t) + F_ro.

1.1. Transformation énergétique du « véhicule aux kilomètres »

à la roue. L’effort aérodynamique est généralement calculé en fonction d’une surface de référence S et un coefficient de pénétration C_x

F_a = ¹

2^ρSC^x^v

où ρ représente la masse volumique de l’air.

– F_p caractérise l’effort de résistance pneumatique. Cet effort dépend es-sentiellement de la vitesse et de la masse du véhicule. L’influence de la pression des pneumatiques est à prendre en compte ainsi que le revête-ment de la chaussée et les conditions météorologiques (par exemple sur une route mouillée, la résistance à l’avancement au niveau du pneuma-tique est augmentée de l’ordre de 20%). Pour les simulations, la résistance à l’avancement des pneumatiques sera calculée par interpolation sur des données empiriques.

– F_g correspond à l’effort induit par la pente et la gravité terrestre. Cet effort se modélise simplement en fonction de la gravité g et de la pente α

F_g = m_v· g · sin(α).

– F_l l’effort lié au léchagea des plaquettes de frein sur le disque. En général du fait de la dispersion des véhicules sortis d’usine, cet effort est un effort forfaitaire caractérisant un véhicule médian.

– F_ro l’effort de résistance lié aux roulements portant la transmission. Sui-vant le niveau d’informations disponibles, cette résistance peut être fonc-tion de la vitesse de rotafonc-tion et du couple de transmission.

1.1.3 Etude de sensibilité des paramètres influençant la

consommation du « véhicule aux kilomètres »

1.1.3.1 Cycles et homologation

Le véhicule n’est pas la seule source de consommation énergétique du « vé-hicule aux kilomètres ». Deux conducteurs différents sur un même parcours avec la même voiture peuvent consommer plus ou moins de carburant. Afin d’évaluer la performance énergétique des véhicules sans biaiser les résultats, des cycles de tests, caractérisés par des profils de vitesse et de pente, ont été introduits. Dans la pratique, ces cycles sont utilisés sur des bancs à rouleaux

où la force à la roue est choisie pour émuler les pertes énergétiques lorsque le véhicule réalise le cycle spécifié. Ces tests sont effectués dans un environnement contrôlé (température, humidité, composition de l’air, pression etc.) avec des procédures strictes de confinement pour amener le véhicule et ses composants à la température souhaitée.

Il existe plusieurs cycles normalisés suivant les pays qui s’en servent pour ho-mologuer la consommation et la pollution des véhicules. En France, l’UTAC, l’organisme de certification automobile utilise le cycle européen NEDC qui propose 4 répétitions d’un profil urbain suivi d’un profil routier (Figure 1.1). Pour le cycle NEDC, si le véhicule dispose d’une boîte manuelle, les rapports sont imposés. Les États-unis possèdent leur propre cycle d’homologation FTP (Federal Test Procedure) qui est plus représentatif d’une utilisation réelle d’un véhicule. Le Japon possède lui aussi son propre cycle et norme d’homologation. Des pourparlers sont engagés pour harmoniser de manière globale l’homologa-tion des véhicules. Ces cycles d’homologal’homologa-tion ne suffisent pas pour être repré-sentatifs de l’utilisation courante des véhicules par les clients. Ainsi, chaque constructeur automobile a développé en interne ses propres cycles. Les cycles Artemis développés par l’INRETS sur la base de relevés effectués sur une flotte de véhicules servent souvent de référence dans la littérature pour si-muler le comportement d’un usage client [9]. Il existe quatre cycles Artemis représentatifs d’un roulage en embouteillage, en ville, routier et sur autoroute.

1.1.3.2 Analyse de la consommation : le cas pratique sur le cycle

NEDC

Dans [53], les auteurs proposent une évaluation énergétique des aspects du « véhicule aux kilomètres ». Pour le cycle normalisé européen, la formule équivalente de la consommation d’énergie mécanique d’un véhicule pour 100 kilomètres est approchée par

E_{N EDC} ≈ S · C_x· 1.9 · 104+ m_v· c_r· 8.4 · 102+ m_v· 10,

avec ¯E_{N EDC} exprimé en kJ/100km et c_r le coefficient de roulement du pneu-matique. Ce qui donne, pour quatre grandes catégories de véhicules des de-mandes énergétiques bien différentes (Table 1.1). Il est remarquable qu’entre deux véhicules le travail à fournir, pour une même distance, puisse être 3,5

1.1. Transformation énergétique du « véhicule aux kilomètres » 0 200 400 600 800 1000 1200 0 20 40 60 80 100 120 Temps (s) V it e s s e ( k m /h ) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 20 40 60 80 100 120 Temps (s) V it e s s e ( k m /h )

Figure 1.1 – Profil de vitesse du cycle NEDC (haut) et du cycle Artemis Routier (bas)

Véhicule SUV Familiale compacte micro urbaine

S · C_x 1.2 0.7 0.6 0.4

cr 0.017 0.013 0.012 0.08

m_v(kg) 2000 1500 1000 750

E_{N EDC}(M J/100km) 71 45 31 20

Table 1.1 – Demande énergétique du « véhicule aux kilomètres » sur le cycle NEDC pour différentes catégories de véhicules [53].

fois supérieur. L’influence relative des différents paramètres à la consomma-tion énergétique du « véhicule aux kilomètres » peut être évaluée par une étude de sensibilité. La sensibilité est définie par

S_p , lim

δp→0

[ ¯E_{N EDC}(p + δp) − ¯E_{N EDC}(p)]/ ¯E_{N EDC}(p)

δp/p ^,

où p représente l’un des trois paramètres S · C_x, c_r, ou m_v. La Figure 1.2 représente la sensibilité des paramètres pour chacun des véhicules. La sensi-bilité caractérise le gain sur la consommation d’un effort donné sur l’un des trois facteurs de consommation. Ainsi, avec une familiale sur le cycle NEDC, réduire de 1% la masse du véhicule réduit de 0,7% la demande énergétique du véhicule alors qu’une réduction de la résistance aux roulements pneumatiques de 1% réduit la demande énergétique de 0,3%. Il apparaît nettement que la

masse est le facteur le plus impactant sur la consommation. L’allègement des véhicules apparaît donc comme une évidence pour réduire de façon simple la consommation des véhicules. Malheureusement, si les véhicules se sont alourdis ces dernières années, c’est essentiellement pour des raisons de sécurité et de confort des occupants. Déontologiquement, il est impensable de régresser sur la sécurité passive pour économiser de l’énergie tant que la sécurité active ne garantira pas des taux d’accidents faibles. La solution, étudiée ici, pour réduire les émissions anthropiques de CO₂ passe par l’amélioration du rendement du « réservoir au véhicule ». 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

SUV Familliale Compacte Microubraine

Figure 1.2 – Etude de sensibilité aux paramètres influençant la consommation de différents véhicules sur le cycle NEDC

Dans le document Stratégies optimales multi-critères, prédictives, temps réel de gestion des flux d'énergie thermique et électrique dans un véhicule hybride (Page 29-33)