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J. Lavy
To cite this version:
Evaluation des performances du véhicule Toyota Prius
B. JEANNERET#, F. HAREL#, F. BADIN#, R. TRIGUI#, F. DAMEMME*, J. LAVY*
#
Institut National de Recherche sur les Transports et la Sécurité Laboratoire Transport et Environnement
25, Avenue F. Mitterrand Case 24
69675 BRON Cedex
*
Institut Français du Pétrole 1-4, Avenue du Bois Préau 92852 Rueil Malmaison Cedex
INTRODUCTION
Une action de recherche portant sur l’évaluation des véhicules hybrides a été menée au sein du laboratoire Transport et Environnement de l’INRETS en collaboration avec l’IFP. Le premier véhicule hybride commercialisé depuis le mois de décembre 1997 au Japon, la Toyota Prius, a tout naturellement été le point de départ du projet.
Le véhicule Toyota Prius est un véhicule hybride parallèle à dérivation de puissance qui associe un moteur thermique, deux machines électriques (que nous dénommerons par la suite machine de traction et machine de variation de vitesse) et une batterie de puissance de type Ni - MH. Un train épicycloïdal permet de répartir la puissance du moteur thermique vers les roues du véhicule d’une part, vers la machine de variation de vitesse d’autre part.
Dans le but d’évaluer cette voiture, un programme d’essais sur les bancs à rouleaux de l’INRETS et de l’IFP a été défini. Ainsi, la voiture a pu être évaluée sur les principaux cycles réglementaires (MVEG, 10-15 modes, FTP75 ...) ainsi que sur des cycles d’usage réel. Les performances dynamiques du véhicule ont également été caractérisées, de même que certains paramètres de fonctionnement tel que la récupération d’énergie lors des décélérations du véhicule. 1- Instrumentation du véhicule - calage des bancs à rouleaux
1.1- Chaîne d’acquisition
Dans le but de mesurer à la fois des paramètres propres au fonctionnement du véhicule et les valeurs d’émissions de polluants, deux fichiers sont simultanément enregistrés à chaque essai :
- Un fichier généré par la centrale d’acquisition embarquée SYMADE et dont la fréquence d’acquisition varie entre 1 à 10 Hz;
- Un fichier généré par le banc à rouleau à la fréquence de 1 Hz et contenant les concentrations instantanées et cumulées en ppm de CO, HC, NOx et CO2.
La centrale d’acquisition embarquée est composée :
- d’un système d’acquisition SYMADE comportant des entrées logiques, analogiques et des entrées comptages de bande passante 2 kHz maximum ;
- de modules de conditionnement et d’isolement ; - d’une alimentation externe ;
- des capteurs de mesure.
HT :Haute Tension BT :Basse Tension
Figure 1 : Conditionnement des voies de mesure
Remarque : la compacité du groupe moto propulseur rend la mesure de la puissance sur l’arbre du moteur thermique très difficile. L’IFP a pu réaliser une mesure de la pression moyenne indiquée (PMI) en instrumentant les cylindres du moteur. Une méthode de corrélation entre le débit d’air à l’admission et la PMI est utilisée à l’INRETS pour estimer la puissance indiquée du moteur (le moteur thermique de la Prius est un moteur à essence muni d’un catalyseur trois voies, fonctionnant donc à la stœchiométrie).
1.2- Mesures des polluants et de la consommation
Les mesures de polluants sont effectuées conformément à la norme à l’aide d’un système de prélèvement à volume constant. La consommation est calculée à partir du bilan carbone en CO, HC, CO2.
1.3- Calage des bancs à rouleaux
Les coefficients introduits sur les bancs à rouleau de l’IFP et de l’INRETS pour calculer l’effort résistant sur les rouleaux sont les suivants :
- coefficient constant : 188 N
- coefficient en vitesse : 0,32 N/(m/s)
- coefficient en vitesse au carré : 0,456 N/(m/s)2
La masse de référence utilisée pour calculer les inerties du véhicule est de 1360 kg.
Remarque : les essais présentés ici ont été réalisés en utilisant le mode de conduite B de la Prius. 2- Présentation des résultats de consommation et d’émissions
Sur un même cycle d’usage, la consommation de carburant d’un véhicule hybride est conditionnée par la variation relative de l’état de charge de sa batterie entre le début et la fin de l’essai. Afin de présenter des consommations de carburant à bilan ampère heure batterie nul, nous avons donc décidé de répéter chaque essai à plusieurs reprises pour obtenir différents fonctionnements réalistes du véhicule et différents couples (consommation de carburant, consommation de charges électriques nette de la batterie).
Nous représenterons donc la consommation de carburant en fonction du bilan relatif en Ah de la batterie pour chaque essais réalisé et nous retiendrons une interpolation (linéaire, au sens des moindres carrés) à Ampère heure batterie nul. La figure 2 présente, à titre d’illustration, les résultats obtenus sur le cycle MVEG.
D épar t c y c le D épar t ac qu is it ion SY M AD E R égi me t her m iq ue D ébi t d ’ai r T empér a tur e eau P os it ion ac c él ér at e ur C ont ac t péd al e f re in V it es s e v éhi c u le F or c e r oul eaux T ens ion bat ter ie H T T ens ion bat ter ie B T C our ant bat ter ie H T C our ant bat ter ie B T Entrées logiques Entrées
comptages Entrées analogiques
-0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 5 5.5 6 6.5 7
Etat de charge relatif en Ah
C ons om m at ion de c ar bur ant en l /100 k m Mesures
Ré gression liné aire
Figure 2: Consommation sur cycle MVEG.
Pour les émissions de polluants, la même méthode consistant à représenter un polluant en fonction des Ampère heure déchargés nous donne des coefficients de corrélation extrêmement faibles. Ainsi, nous présenterons à titre de résultats synthétiques les valeurs moyennes et les mini/maxi d’émissions. Remarque : nous supposons que le rendement faradique de la batterie est suffisamment élevé pour pouvoir considérer qu’un bilan en ampère heure nul ramène la batterie à son état de charge initial. 3- Résultats d’essais sur cycles
Le tableau 1 présente les résultats de consommation de carburant à bilan ampère heure batterie nul et les résultats moyens d’émissions (entre parenthèse, les extremums mesurés) :
Cycle Consommation en l/100 km Emissions de CO en g/km Emissions de HC en g/km Emissions de NOx en g/km MVEG 5,6 0,60 (0,41-0,85) 0,12 (0,08-0,17) 0,09 (0,07-0,12) 10-15 modes 4,3 0,09 (0,03-0,24) 0,02 (0,01-0,02) 0,05 (0,01-0,11) HYZEM Urbain 6,0 0,29 (0,14-0,36) 0,02 (0,01-0,02) 0,18 (0,14-0,22) HYZEM routier 5,5 0,25 (0,13-0,31) 0,02 (0,01-0,03) 0,15 (0,11-0,22) HYZEM autoroutier 6,3 0,09 (0,08-0,11) 0,01 (0,01-0,02) 0,26 (0,22-0,32)
Tableau 1 : résultats de consommation et d’émissions sur cycles
4- Fonctionnement du véhicule sur cycle normalisé MVEG
Les évolutions de quelques grandeurs caractéristiques sont présentées dans les figures 3 à 6 :
0 200 400 600 800 1000 1200 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 V ites s es de r ot at ion ( tr /m n) Temps en secondes Cycle MVEG Machine de traction Moteur thermiqe Machine de variation
Figure 3: Vitesses de rotation sur cycle MVEG
Comme illustré figure 3, on constate que le temps de chauffe du moteur thermique dure 350 à 400 secondes. Au-delà, pendant la partie lente (ECE15) du cycle MVEG, le moteur thermique démarre lors des phases d’accélération du véhicule (appel de puissance à la roue important), il est stoppé pendant les paliers à vitesse constante. Lors du parcours de la partie rapide (EUDC) du cycle MVEG, le moteur thermique fonctionne de façon continue. Lors du palier à 70 km/h (1000ème seconde), l’appel de puissance à la roue étant faible, le moteur thermique tourne à faible vitesse (autour de 1500 tr/mn) et le sens de rotation de la machine de variation s’inverse, ce qui impose, pour équilibrer le train épicycloïdal, une puissance fournie par cette machine de variation. Inversement, lors des phases d’accélération du véhicule, où la demande de puissance est élevée, le régime de rotation de la machine de variation est positif, et cette machine absorbe de la puissance pour équilibrer le train épicycloïdal. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 20 40 60 80 100 120 fichiers../J5/T2J5MVEG et../J5/TO3407.TXT Regime en tr/mn E s ti m at ion du c oupl e i ndi que en N m
On remarque à partir de la figure 4 que le calculateur du véhicule privilégie des zones particulières du domaine de fonctionnement du moteur, à savoir :
- montée en charge à un iso régime de 1200/1300 tr/mn ; et au-delà :
- variation de la vitesse de rotation du moteur dans la zone de charge élevée et donc optimum vis à vis de la consommation.
La figure 5 illustre les variations instantanées de la vitesse de rotation du moteur thermique et les émissions de polluants dégagés lors de son fonctionnement :
0 200 400 600 800 1000 1200 0 2000 4000 fichiers../J5/T2J5MVEG et../J5/TO3407.txt R egi m e t r/ m n 0 200 400 600 800 1000 1200 0 0.1 0.2 C O en g/ s 0 200 400 600 800 1000 1200 0 0.05 0.1 H C en g/ s 0 200 400 600 800 1000 1200 0 0.01 0.02 N O x en g/ s 0 200 400 600 800 1000 1200 0 1 2 c ons o en g/ s Temps en secondes
Figure 5 : Emissions des polluants réglementés et de la consommation sur cycle MVEG On observe des valeurs de CO, HC et de NOx élevées pendant les cent premières secondes du cycle (avant amorçage du catalyseur), alors que la durée de marche du moteur se prolonge bien au-delà (autour de 400 secondes).
Le tracé des émissions instantanées de NOx montre des valeurs élevées dans la partie rapide (EUDC) du cycle MVEG. Le moteur travaille alors dans une zone de fonctionnement où le rendement thermodynamique est optimum, avec une température de combustion élevée et des émissions de NOx à l’échappement également élevées. On retrouve un fonctionnement classique des moteurs à essence catalysés.
0 200 400 600 800 1000 1200 250 300 350 T en s ion ( V ) 0 200 400 600 800 1000 1200 -20 0 20 40 60 C ou ra n t (A ) 0 200 400 600 800 1000 1200 -0.2 0 0.2 E ta t de c ha rg e r e la ti f (A h) Temps en secondes
Figure 6 : Comportement de la batterie Nickel Métal Hydrure métallique sur cycle MVEG on observe pour la batterie NiMH :
- de fortes amplitudes de variation de la tension en charge ;
- des pics de courant aux instants de démarrage du moteur thermique (t=430 ou t=620 s) ; - le courant absorbé lors de la décélération en fin de cycle (depuis t=1170 jusqu’à t=1190
secondes) par le moteur électrique.
5- Performances dynamiques, récupération d’énergie lors des décélérations du véhicule
Les performances dynamiques ont été évaluées sur le banc en réalisant une succession d’accélérations de 0 à 130 km/h suivies de décélérations jusqu’à l’arrêt du véhicule.
Lors des premières décélérations, nous avons maximisé la récupération d’énergie au freinage sans agir sur les freins mécaniques (et en utilisant les deux modes de conduite disponibles, à savoir mode D et B), puis, lors des essais suivants, nous avons réalisé des décélérations rapides par usage des freins mécaniques afin de limiter la récupération d’énergie au freinage ce qui a pour effet de décharger fortement la batterie haute tension du véhicule. Le tableau 2 présente les modes de décélérations utilisés et les principaux résultats obtenus :
N° essai Temps de passage 0/50 km/h Ampère heure fourni pendant l’accélération de 0 à 50 km/h Temps de passage 0/100 km/h Ampère heure fourni pendant l’accélération de 0 à 100 km/h Ampère heure récupéré pendant la décélération de 100 à 10 km/h Mode de décélération 1 6,3 0,119 15,0 0,322 -0,163 B, libre 2 6,3 0,118 14,8 0,314 -0,100 D, libre 3 6,0 0,118 14,5 0,313 -0,104 D, libre 4 6,0 0,119 14,7 0,307 / B, Freinage 5 5,7 0,110 14,4 0,291 / B, Freinage 6 6,7 0,076 17,7 0,175 / B, Freinage 7 6,3 0,057 17,5 0,132 / B, Freinage 8 6,9 0,026 19,4 0,059 / B, Freinage 9 7,0 0,034 18,6 0,080 / B, Freinage
0 5 10 15 20 25 30 0 20 40 60 80 100 120 140 temps s vi te s s e k m /h
Figure 7 : Performances dynamiques
On constate une dégradation des performances dynamiques au fur et à mesure de la décharge de la batterie haute tension. Lors des essais numéros 8 et 9, le bilan en ampère heure de la batterie haute tension est pratiquement nul, ainsi l’énergie fournie par le moteur thermique seul permet ces performances ‘dégradées’.
La récupération d’énergie au freinage est illustrée figure 8 (décélérations libres en mode B ou D) :
0 20 40 60 80 100 120 140 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 Vitesse vé hicule km/h C our ant de f rei nage A Fichier ../J12/TJ12ACC Mode B Mode D
Figure 8 : Courants de freinage suivant les modes D et B
Les pics de courant intervenant vers 40 / 45 km/h sont dus à l’arrêt du moteur thermique.
Remarque : la récupération d’énergie est limitée à la reproduction d’un ‘frein moteur’ des véhicules Dégradation des performances dues à
Les courants maximums observés lors des phases de traction sont de l’ordre de 10 à 12 CN (CN=6,5
Ah), ils sont limités à 4 CN lors des phasesde récupération d’énergie.
-600 -400 -200 0 200 400 600 0 5 10 15 20 25 P i i b tt i Ni Mh W/k T em ps en s ec .
Accélération maximum et décélération libre mode B
-600 -400 -200 0 200 400 600 0 10 20 30 40 P i i b tt i Ni Mh W/k % du t em ps de par c our s du c y c le
Cycle HYZEM Routier
Figure 9 :répartition des puissance massiques de la batterie Ni-Mh
hypothèse: batterie Panasonic constituée de 40 modules de 1,1 kg en série, soit 44 kg de matière active.
Lors de l’accélération du véhicule (figure de gauche), les puissances massiques de la batterie atteignent des valeurs de l’ordre de 350 à 450 W/kg, la valeur maximum spécifiée dans les documents Panasonic étant de 525 W/kg qui peut être maintenue pendant une durée maximum de 10 secondes. Lors des décélérations du véhicule, les puissances massiques ne dépassent pas 200 à 300 W/kg (valeur maximum tolérée 500 W/kg pendant 10 secondes, document Panasonic).
A titre d’exemple, la figure de droite présente le même dépouillement réalisé sur un cycle HYZEM routier où la répartition des puissances massiques est largement recentrée autour de zéro.
6- Comparaison des consommations et des émissions de polluants de la Prius par rapport à des véhicules conventionnels du parc actuel français
Après évaluation des performances en consommation et émissions du véhicule, il est intéressant de situer le véhicule Prius par rapport aux véhicules équipés de motorisations classiques. Le LTE réalisant par ailleurs de nombreux essais de véhicules conventionnels, nous avons pu effectuer une comparaison en consommation (émission de CO2) ainsi qu’en émissions de polluants réglementés.
Nous avons retenu pour comparaison uniquement les véhicules à essence équipés d’un catalyseur trois voies, les cycles d’usages étant identiques.
Traction
Récupération Récupération Traction
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 E m issi o n en g /km
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 E m is s ion e n g/k m
Urbain MVEG Routier Autoroutier
Moyenne des 13 véhicules catalysés Prius Emission de NOx Emissions de CO2 100 140 180 220 260 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 E m issi o n en g /km
Urbain MVEG Routier Autoroutier Moyenne des 13 véhicules catalysés Prius 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 E m issi o n en g /km
Urbain MVEG Routier Autoroutier
Emission de HC totaux
Moyenne des 13 véhicules catalysés
Prius
Figures 10 à 12 : Comparaisons des émissions de polluants réglements
rapport à la valeur moyenne est de 60 à 90 % en CO, 50 à 90 % en HC, 20 à 60 % en NOx. Pour ce
qui concerne les émissions de CO2, on constate que le gain est très important en conditions urbaines
et qu’il se réduit très sensiblement pour les cycles rapides (gain par rapport à la moyenne de 28 % en urbain, 20 % sur cycle MVEG, 15 % en routier et moins de 3 % en autoroutier). On peut faire sur ces résultats les remarques suivantes :
• Les émissions relevées pour l’ensemble des véhicules sont très faibles et présentent d’importantes dispersions. Les écarts exprimés doivent donc être considérés comme des ordres de grandeur,
• La chaîne de traction de la Prius est optimisée dans le but de faire fonctionner le moteur thermique dans ses zones de meilleur rendement où les émissions de NOx sont les plus
importantes, le gain observé sur ce polluant est en conséquence le plus faible,
• Le cycle MVEG est mesuré dans le cas de la Prius en incluant les 40 premières secondes, ce qui n’est pas le cas des véhicules à motorisation classique, qui se trouvent ainsi favorisés,
• Le Prius possède une motorisation relativement peu puissante par rapport à sa masse, de l’ordre de 61 kW pour 1330 kg, soit 46 kW/t. Les véhicules à motorisation classique considérés ont une masse moyenne de 1039 kg pour une puissance moyenne de 60 kW, soit une puissance massique de 57 kW/t qui est très supérieure. Afin de tenir compte de ce paramètre, nous avons effectué une comparaison en ne retenant que les trois véhicules à motorisation classique présentant une puissance massique comparable (masse moyenne 947 kg, puissance moyenne 45 kW). Comparé à ces véhicules légers de faible motorisation, le gain apporté par la Prius reste de même ordre en CO et HC mais les résultats sont plus contrastés pour les NOx avec un gain maxi de 70 % sur cycle
MVEG mais une augmentation de 14 % en cycle urbain. Pour le CO2 les gains sont également
réduits avec 22 % en urbain, 17 % sur MVEG, 7 % en routier et une augmentation de 3 % en conditions autoroutières.
Conclusion :
La comparaison des émissions et de la consommation du véhicule Prius par rapport à des véhicules du parc actuel permet de constater que la transmission hybride parallèle à dérivation de puissance de la Prius allie les avantages d’une solution parallèle à celle d’une transmission série, à savoir un bon rendement, tout en conservant des émissions très faibles. Il apparaît également que ce véhicule a été spécifiquement optimisé pour un usage dans de grandes agglomérations et que son intérêt décroît sensiblement pour des usages autoroutiers, là même où la motorisation classique des véhicules est le mieux adaptée.
Références :
1- M André : European Development of hybrid technology approaching efficient zero emission mobility (HYZEM). Rapport LEN 9709.
2- T Yaegashi, S Sasaki, T Abe : Toyota Hybrid System :it’s concept and technologies. FISITA 98, september 1998, Paris, France.
3- A Eiraku, T Abe, M Yamaoka : An application of hardware in the loop simulation to Hybrid Electric Vehicle. EVS 15, october 1998, Brussels, Belgium.
4- CWH Ellis : Optimising hybrid Evs for Europe, ISATA magazine, march 1999.
5- J Lavy et F Damemme : Evaluation d’un outil de simulation de nouveaux concepts hybrides sur le véhicule Toyota Prius – Ateliers technologiques – Salon Equip’Auto – octobre 1999, Paris, France. 6- B Jeanneret, F Damemme : New hybrid concept simulation tools, evaluation on the Toyota Prius
