AMELIORATION DE L’UTILISATION DE L’ENERGIE DANS UN VEHICULE HYBRIDE

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Émissions polluantes 

La combustion d’énergies fossiles (quasiment essentiellement des hydrocarbures) dans un moteur à combustion interne n’est pas uniquement à l’origine de gaz à effet de serre. En effet, même si la réaction chimique principale de combustion produit essentiellement de l’eau et du dioxyde de carbone, en réalité plusieurs réactions secondaires émettant des éléments nocifs ont lieu, suivant les conditions dans lesquelles se produit la combustion.
L’oxydation d’un composé organique par le dioxygène de l’air n’est pas forcément complète. Une partie de ces éléments organiques ne sont que partiellement oxydés. C’est ainsi que l’on trouve, à l’échappement des moteurs à combustion interne utilisés dans le secteur automobile, des gaz nocifs tels que le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures imbrûlés (HC) ou encore les particules (surtout pour les moteurs Diesel). De plus, du fait de l’utilisation du dioxygène de l’air pour la combustion, cette dernière se produit dans un milieu riche en azote (N2), l’air étant composé à environ 80% de N2 pour 20% de O2. En raison des fortes conditions de pression et de température atteintes lors de la combustion, des réactions d’oxydation entre l’azote et le dioxygène se produisent et forment des NOx (monoxyde d’azote : NO, dioxyde d’azote : NO2), eux aussi particulièrement nocifs.

Hydrocarbures imbrûlés

Les hydrocarbures imbrûlés sont tout simplement des molécules du carburant utilisés pour la combustion, qui ne sont pas ou incomplètement oxydées par le dioxygène de l’air. Cela peut se produire par manque de dioxygène dans le milieu, ou bien à cause de conditions de pression ou de température trop faibles pour que la combustion se produise efficacement. Ces éléments sont rejetés sous forme gazeuse dans l’atmosphère et sont ensuite inhalés. Ils sont cancérigènes et on un effet néfaste sur le système nerveux et les plaquettes sanguines.

Monoxyde de carbone

Le monoxyde de carbone est un gaz mortel à très faible dose. En effet, une fois inhalée par un être vivant, cette molécule se fixe sur l’hémoglobine à la place du dioxygène (du fait d’une affinité avec le récepteur de l’hémoglobine plus de 200 fois plus importante pour le monoxyde de carbone que pour le dioxygène). Par manque d’oxygène, transmis par le sang aux différents organes, on meurt alors par asphyxie. Le monoxyde de carbone est responsable de la mort de nombreuses personnes. Il est encore plus dangereux du fait qu’il est incolore et inodore.
Ce gaz se forme lors d’une combustion incomplète d’un composé organique. La principale cause de cette formation est le manque de dioxygène pour oxyder complètement le carburant.

Particules

Les particules sont formées essentiellement dans les moteurs Diesel. En effet ces moteurs utilisent une combustion par diffusion, contrairement aux moteurs à allumage commandé qui fonctionnent, pour la plupart d’entre eux, avec une combustion de pré-mélange (le mélange carburant-essence étant homogène au début de la combustion). Un jet de carburant liquide est injecté dans un milieu riche en dioxygène. Du fait des conditions extrêmes de pression et de température, la combustion démarre à la frontière entre le jet liquide et l’air. Les molécules d’hydrocarbures situées au milieu du jet sont alors soumises à de très fortes températures sans pouvoir être oxydées, car n’étant pas en contact avec un oxydant, et subissent alors une transformation aboutissant à la formation de particules solides de carbone. Les particules sont ensuite rejetées à l’échappement et peuvent être observées sous la forme de fumées noires.
Ces suies sont facilement inhalées par les individus et sont la cause de gênes respiratoires, voire de cancers [4, 5]. Les petites particules, notamment, sont extrêmement nocives, car leur taille leur permet de se loger facilement dans les alvéoles pulmonaires.

Oxydes d’azote

Les oxydes d’azote, tels que le monoxyde et le dioxyde d’azote (respectivement NO et NO2) se forment dans le cas d’une combustion en milieu riche en oxygène. Les fortes températures et pressions atteintes lors de la combustion entraînent des réactions d’oxydation du diazote. Ces émissions sont particulièrement nocives.
Les oxydes d’azotes provoquent une irritation des voies respiratoires. Ils sont de plus à l’origine de certaines pluies acides néfastes pour l’environnement (notamment à cause de la production d’acide nitrique), ainsi que de pics d’ozone pendant l’été.

Autres polluants

Les carburants ont énormément évolué au fil du temps, notamment en vue de la réduction des émissions polluantes. Certains polluants, qui étaient produits à cause de l’ajout d’additifs dans les hydrocarbures, sont maintenant interdits. Le plomb, en particulier, servant à augmenter l’indice d’octane de l’essence (résistance aux cliquetis), est très toxique pour l’environnement (préoccupation écologique) et peut fortement nuire aux nouveaux catalyseurs. Il est désormais absent de tous nos carburants. De même, le souffre présent dans les anciens carburants était à l’origine de la formation de dioxyde de souffre qui, une fois dissous dans les microgouttelettes d’eau des nuages, était à l’origine de la production d’acide sulfurique, déclencheur de pluies acides.

Normes

Dans le but de réduire les émissions polluantes à l’échappement des véhicules, des normes antipollution ont été mises en place dans les principaux pays développés (qui correspondent aux principaux pays constructeurs d’automobiles). Ces normes visent à imposer aux constructeurs de produire des motorisations de plus en plus  »propres » (ou de moins en moins sales, suivant le point de vue), en leur interdisant de vendre des véhicules rejetant plus de polluants que les limites inscrites dans la norme en vigueur au moment de la sortie du véhicule. Il est évident que, sans la présence de ces normes, les constructeurs n’auraient pas investi autant dans ce type de recherche. Ces normes évoluent lentement, afin de laisser aux constructeurs le temps de s’adapter à ces nouvelles contrainte.

Évolution des moteurs à combustion interne

Avant que de nouvelles propulsions plus propres ne fassent leur apparition sur le marché automobile, les constructeurs ne peuvent pas encore se permettre d’écarter le choix du moteur à combustion interne pour la majorité des modèles vendus. Cependant, afin de lutter contre la pollution, les rejets de gaz à effet de serre et aussi de se prémunir contre la montée du prix du pétrole, les motoristes ne peuvent pas non plus éviter de mener des recherches très poussées. Ces recherches ont pour but d’améliorer les performances de leurs motorisations, vis à vis de la consommation globale du véhicule et des émissions polluantes. Ainsi, il est à la fois possible de répondre aux attentes des clients (le coût à la pompe étant une préoccupation très importante des consommateurs), mais aussi de respecter les différentes normes antipollution.

Développement des motorisations Diesel (à allumage par compression)

Le développement des véhicules Diesel se fait surtout en Europe, les États-Unis et le Japon étant peu attirés par cette technologie. Cette motorisation présente un avantage non négligeable par rapport au cycle thermodynamique d’un moteur à allumage commandé classique : son rendement. En effet les moteurs Diesel ont, grâce à la particularité de leur cycle thermodynamique (taux de compression élevé, peu de pertes par pompage et un fonctionnement avec un excès d’air permettant un rendement de combustion très proche de 100%), une consommation globale plus faible que les moteurs essences. Ils deviennent alors tout à fait intéressants, malgré un surcoût à l’achat du véhicule, pour les personnes roulant beaucoup car, non seulement le gasoil est moins cher que l’essence, mais il permet également de parcourir plus de distance avec un même plein, d’où des économies financières qui se révèlent très intéressantes au bout de quelques mois d’utilisation.
Cependant, il restait à régler les problèmes de pollution. Le développement du filtre à particules a permis de supprimer une grande partie des rejets de particules, celles ci étant piégées dans le filtre puis oxydées lors de la phase de régénération du filtre. Seules les particules les plus fines (malheureusement, elles sont aussi extrêmement dangereuses) peuvent être amenées à échapper à ce piège. Un autre problème des moteurs Diesel est leur importante production de NOx. En effet la réduction des NOx à l’échappement ne peut se faire qu’en milieu riche (en carburant) ou stœchiométrique, ce qui n’est pas le cas des moteurs Diesel du marché.

Technologies de récupération de l’énergie à l’échappement

Le principal problème des moteurs à combustion interne est leur très faible rendement (à peine supérieur à 40%, dans le meilleur des cas). En effet, la majorité de l’énergie thermique libérée par la combustion est perdue, un peu par transfert thermique dans le moteur, mais surtout car une grande partie de cette énergie n’est jamais utilisée et reste présente dans les gaz brûlés chauds [45-46]. Il apparaît alors intéressant de pouvoir récupérer et utiliser une partie de cette énergie.
Le turbocompresseur est une technologie qui est maintenant développée dans le but de limiter la consommation des véhicules. Pour un véhicule donné, nécessitant une certaine puissance.

Table des matières

CHAPITRE 1. REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
INTRODUCTION
1.1 LES PROBLEMES DE REDUCTION DES EMISSIONS
1.1.1 ÉMISSIONS
1.1.1.1 La production démesurée de gaz à effet de serre par l’homme
1.1.1.2 Émissions polluantes [5, 45]
1.1.1.2.a Hydrocarbures imbrûlés
1.1.1.2.b Monoxyde de carbone
1.1.1.2.c Particules
1.1.1.2.d Oxydes d’azote
1.1.1.2.e Autres polluants
1.1.1.2.f Normes
1.1.2 LA REDUCTION DES GAZ A EFFET DE SERRE
1.1.2.1 Évolution des moteurs à combustion interne
1.1.2.1.a Développement des motorisations Diesel (à allumage par compression)
1.1.2.1.b Technologies de récupération de l’énergie à l’échappement
1.1.2.1.c Meilleure utilisation d’un moteur à combustion interne
1.1.2.2 Solutions alternatives
1.1.2.2.a Véhicule électrique
1.1.2.2.b Véhicule hybride électrique
1.2 PRESENTATION DES VEHICULES HYBRIDES
1.2.1 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
1.2.2 AMELIORATION DE L’UTILISATION DE L’ENERGIE DANS UN VEHICULE HYBRIDE
1.2.3 TAUX D’HYBRIDATION
1.2.4 GESTION D’UNE CHAINE DE PROPULSION HYBRIDE
1.2.5 MODELISATION D’UN VEHICULE HYBRIDE
1.2.5.1 Modélisation d’un véhicule hybride complet : BMW [9]
1.2.5.1.a Approche
1.2.5.1.b Modélisation
1.2.5.1.c Modèle du moteur à combustion interne (MCI)
1.2.5.1.d Circuit de refroidissement
1.2.5.1.e Échappement
1.2.5.1.f Air conditionné et chauffage de l’habitacle
1.2.5.1.g Propulsion électrique et système de stockage d’énergie électrique
1.2.5.1.h Résultats
1.2.5.2 Les points importants de la modélisation
1.3 COMPORTEMENTS THERMIQUES DE LA PROPULSION
HYBRIDE
1.3.1 MODELISATION THERMIQUE DU MOTEUR A COMBUSTION INTERNE
1.3.1.1 Comportement thermique d’un moteur à combustion interne après un départ à
froid : recherches expérimentales
1.3.1.2 Modélisation de la combustion : Cas du moteur à allumage commandé
1.3.1.2.a Modélisation à une seule zone
1.3.1.2.b Modélisation des phases d’admission, de compression, de détente et
d’échappement
1.3.1.3 Modélisation des pertes aux parois
1.3.1.3.b Etude du bilan énergétique sur un moteur réel
1.3.1.4 Modélisation des transferts thermiques
1.3.1.4.a Modélisation nodale
1.3.1.4.b Calcul des coefficients de transferts thermiques [70]
1.3.1.4.c Calcul de la température des parois
1.3.1.5 Frottements visqueux – lubrification
1.3.1.5.a Evolution de la viscosité de l’huile de lubrification
1.3.1.5.b Evolution de la pression moyenne de frottement d’un MCI
1.3.2 MODELISATION THERMIQUE DU MOTEUR ELECTRIQUE
1.3.2.1 Origine des pertes d’un moteur électrique
1.3.2.1.a Pertes par effet Joule
1.3.2.1.b Pertes magnétiques
1.3.2.1.c Pertes mécaniques
1.3.2.1.d Pertes additionnelles (stray losses)
1.3.2.1.e Répartition des pertes
1.3.2.2 Rendement d’un moteur électrique
1.3.2.3 Evolution des pertes en fonction de l’état thermique du moteur
1.3.2.4 Etude thermique expérimentale
1.3.2.5 Modélisation nodale des transferts thermiques
1.3.2.6 Montée en température d’un moteur électrique en fonctionnement
1.3.3 MODELISATION THERMIQUE DES SYSTEMES DE STOCKAGE D’ENERGIE
1.3.3.1 Les batteries
1.3.3.2 Comportement thermique des batteries [137]
1.3.3.3 Exemples de modélisations du comportement thermique pour une batterie
lithium-ion
1.3.3.3.a Fonctionnement et caractéristiques de batteries lithium-ion
1.3.3.3.b Analyse du mécanisme exothermique de la batterie
1.3.3.3.c Analyse du comportement thermique de batteries lithium-ion [138]
1.3.3.3.d Performances caractéristiques des batteries Lithium-ion
1.3.3.3.e Équilibre thermique durant la charge et la décharge
1.3.3.3.f Simulation de l’évolution de température d’une batterie
1.3.4 CONCLUSION
1.4 STRATEGIES DE FONCTIONNEMENT
1.4.1 UTILISATION DU MOTEUR ELECTRIQUE DANS UN VEHICULE HYBRIDE : NOTION DE
RENDEMENT GLOBAL DU VEHICULE
1.4.2 DESCRIPTION DU PROBLEME D’OPTIMISATION
1.4.2.1 Règles de base [163-167, 200]
1.4.2.1.a Répartition d’énergie entre les différentes propulsions : choix des points
de fonctionnement
1.4.2.1.b Paramètres d’entrées et variables de sortie
1.4.2.2 Objectif de la stratégie de contrôle
1.4.2.3 Types de stratégies
1.4.2.3.a Stratégie rule-based [196, 201]
1.4.2.3.b Stratégie par fonction d’optimisation
1.4.2.4 Exemple de recherche d’optimisation du véhicule hybride (prise en compte de
la chauffe moteur)
1.4.2.4.a Modélisation : orientée pour le contrôle véhicule [169]
1.4.2.4.b Contrôle du véhicule
1.4.2.4.c Optimisation
1.4.2.4.d Résultats
1.4.3 CONCLUSION
CONCLUSION CHAPITRE 1
CHAPITRE 2. MODELISATION
INTRODUCTION
2.1.1 DESCRIPTION DE L’OUTIL DE SIMULATION AMESIM
2.1.1.1 Bibliothèque IFP Drive
2.1.1.2 Bibliothèque IFP Engine
2.1.1.3 Comparaison entre IFP-Drive et IFP-Engine : intérêts, défauts
2.1.2 DEVELOPPEMENT D’UN MODELE DE TRANSFERTS THERMIQUES
2.1.2.1 Modélisation des transferts thermiques
2.1.2.1.a Couplage de modèles
2.1.2.1.b Structure du modèle
2.1.2.1.c Détail des équations du modèle
2.1.2.2 Réduction du modèle
2.1.3 MODELISATION DU COMPORTEMENT THERMODYNAMIQUE DU MODELE DU MCI

2.1.3.1 Calibration du modèle IFP Engine à chaud
2.1.3.2 Choix d’un modèle de pertes aux parois dans IFP Engine
2.1.3.3 Développement du modèle par cartographies IFP Drive
2.1.3.3.a Modèle de frottement : Viscosité de l’huile
2.1.3.3.b Modification du modèle des pertes thermiques aux parois IFP Drive
2.1.3.3.c Elaboration de nouvelles cartographies dépendantes de l’état thermique
du MCI
2.2 DEVELOPPEMENT D’UN MODELE DE PROPULSION
ELECTRIQUE SOUS AMESIM
2.2.1 MODELISATION DU MOTEUR ELECTRIQUE
2.2.1.1 Modèle Originel sous AMESim
2.2.1.2 Étude de sensibilité au changement thermique du moteur électrique
2.2.1.3 Modification de la cartographie des pertes
2.2.1.4 Modèle de transferts thermiques
2.2.2 MODELISATION DE LA BATTERIE
2.2.2.1 Modèle des pertes thermiques
2.2.2.2 Modèle de transfert thermique
CONCLUSION CHAPITRE 2
CHAPITRE 3. RESULTATS
INTRODUCTION
3.1 ETUDE DU COMPORTEMENT THERMIQUE DU MCI DANS
UNE ARCHITECTURE HYBRIDE
3.1.1 MONTEE EN TEMPERATURE DU MOTEUR A COMBUSTION INTERNE
3.1.1.1 Etude de la montée en température des liquides de refroidissement et de
lubrification
3.1.1.2 Etude expérimentale : montée en température du moteur et étude du
refroidissement du moteur à l’arrêt
3.1.1.2.a Montage expérimental
3.1.1.2.b Résultats expérimentaux et simulation
3.1.1.3 Application à la simulation du véhicule en fonctionnement
3.1.1.4 Effet de la période de chauffe sur la consommation du véhicule
3.1.1.4.a Evolution des pertes
3.1.1.4.b Surconsommation après un départ à froid
3.1.2 MONTEE EN TEMPERATURE DU MOTEUR A COMBUSTION INTERNE DANS LE CAS
D’UN VEHICULE HYBRIDE
3.1.2.1 Effet du fonctionnement hybride sur la vitesse de montée en température du
moteur thermique
3.1.2.2 Effet sur la consommation
3.1.2.2.b Consommation corrigée (prise en compte du SOC)
3.1.2.2.c Spécificités du fonctionnent hybride du MCI
3.1.3 COMPARAISON DES RESULTATS DES DEUX MODELES DE TRANSFERTS
THERMIQUES DU MCI
3.1.3.1 Comportement thermique du moteur
3.1.3.2 Comportement thermique pour un véhicule conventionnel
3.1.3.3 Comportement thermique pour un véhicule Hybride
3.1.4 ETUDE DES PERFORMANCES DU MOTEUR A COMBUSTION INTERNE LORS D’UN
DEPART A FROID
3.1.4.1 Etude à forte charge
3.1.4.2 Optimisation de la phase de chauffe du moteur
3.1.4.2.a Réduction du temps de chauffe des deux fluides
3.1.4.2.b Définition d’un point de fonctionnement optimal pour la période de chauffe

3.2 ETUDE DU COMPORTEMENT THERMIQUE DES ELEMENTS
ELECTRIQUES DANS UNE ARCHITECTURE HYBRIDE
3.2.1 MOTEUR ELECTRIQUE
3.2.2 BATTERIE
3.3 IMPACT DES TRANSFERTS THERMIQUES EN FONCTION DU
TAUX D’HYBRIDATION
3.3.1 DESCRIPTION DES MODIFICATIONS
3.3.2 COMPARAISON DES POINTS DE FONCTIONNEMENT DU MOTEUR
3.3.3 COMPARAISON DES PERFORMANCES
3.3.4 EFFET SUR LA MONTEE EN TEMPERATURE DU MOTEUR A COMBUSTION INTERNE

3.3.4.1 Micro-hybrid
3.3.4.2 Mild-hybrid
3.4 ETUDES PARAMETRIQUES ET PROSPECTIVES
3.4.1 ETUDE DE L’INFLUENCE DE LA TEMPERATURE EXTERIEURE SUR LE
COMPORTEMENT THERMIQUE D’UN GMP HYBRIDE
3.4.1.1 Moteur thermique
3.4.1.2 Propulsion électrique
3.4.1.3 Conclusion
3.4.2 ETUDE DE L’IMPACT DE LA PLAGE D’ETAT DE CHARGE DE LA BATTERIE
3.4.2.1 Etude thermique
3.4.2.2 Discussion sur le calcul de consommation corrigée
3.4.3 PAS D’ARRET DU MCI PENDANT LA PREMIERE CHARGE DE LA BATTERIE POUR
UNE ARCHITECTURE FULL-HYBRIDE PARALLELE
3.4.4 ETUDE DE L’IMPACT DE LA RECUPERATION DE L’ENERGIE THERMIQUE DU
MOTEUR ELECTRIQUE
3.4.5 ETUDE DE L’IMPACT D’UN RECHAUFFEUR D’HUILE PAR RESISTANCE ELECTRIQUE

3.4.5.1 Réchauffage de l’huile avant le démarrage du moteur à combustion interne 228
3.4.5.2 Réchauffage de l’huile après le démarrage du moteur à combustion interne 232
CONCLUSION CHAPITRE 3
BILAN ET PERSPECTIVES
NOMENCLATURE
ANNEXE A1 : CYCLES ROUTIERS
ANNEXE A2 : ARCHITECTURES HYBRIDES
A2.1 PROPULSION HYBRIDE PARALLÈLE
A2.1.1 BAS (Belt alternator system) General Motors
A2.1.2 IMA (Integrated motor assist) Honda
A2.2 PROPULSIONS SERIES :
A2.3 PROPULSIONS SERIE-PARALLELES :
ANNEXE A3 : DEGRADATION D’UNE BATTERIE EN FONCTION
DE LA TEMPERATURE
ANNEXE A4 : APPLICATION DE LA LOGIQUE FLOUE SUR UN
SYSTEME DE PROPULSION HYBRIDE
ANNEXE A5 : ALGORITHMES GENETIQUES [

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