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LA GESTION ÉNERGÉTIQUE DES VÉHICULES HYBRIDES
SYSTÈME HYBRIDE HYDRAULIQUE POUR CAMIONS À ORDURES : UNE ARCHITECTURE NOVATRICE
Caractérisation des conditions d’utilisation des camions à ordures
L’intérêt porté récemment sur le développement de nouvelles technologies dédiées aux camions à ordures a mené à la réalisation de quelques études sur la caractérisation de leurs conditions d’utilisation (Dembski, Rizzoni et Soliman, 2005; HTUF, 2007; Ivani, 2007;
Transports Canada, 2005). Certaines de ces études révèlent qu’une simple analyse du cycle de vitesse des véhicules ne suffit pas. En effet, comme il sera démontré ci-dessous, d’avantages de paramètres d’opération doivent êtres considérés dans le cas des camions à ordures. De plus, étant donné que les conditions d’utilisation des camions à ordures varient selon le type de véhicules, de conducteurs et de routes, un programme de caractérisation des conditions d’utilisation des camions à ordures a été entrepris dès le début du projet d’études. Cela a permis de baser la conception d’une architecture de système hybride et d’une stratégie de contrôle polyvalents et efficaces sur une connaissance approfondie de la problématique.
Développement de l’architecture du système hybride hydraulique pour camions à ordures
L’analyse des conditions d’utilisation présentées à la section précédente, la consultation de travaux antérieurs et la considération des technologies présentement disponibles ont mené à l’élaboration d’une architecture de système hybride spécifiquement dédiée à l’application des camions à ordures. Ce système présente les principaux aspects que voici :
– il s’agit d’un système hydraulique;
– le système de freinage régénératif est optimisé pour des freinages à basses vitesses;
– l’énergie récupérée au freinage est exclusivement ou principalement utilisée pour assister le MCI lorsque celui-ci entraîne l’équipement auxiliaire du camion.
Une description détaillée de l’architecture développée suivra sou peu mais auparavant, il convient d’expliquer d’un point de vue global les raisons derrières les orientations qui ont été préconisées. D’abord, le choix de l’hydraulique plutôt que de l’électrique s’explique par la disponibilité de composants répondant à des critères de conception tels que la densité de puissance, la densité énergétique, le coût, la robustesse et la fiabilité. Puis, pour ce qui est de la conception du système de freinage régénératif, une étude exhaustive a permis de déterminer le dimensionnement de ses composants pour une vitesse maximale d’opération (Arsenault, 2008). En somme, les performances du système de freinage régénératif ont été évaluées pour 758 configurations différentes en variant la capacité de freinage du système (la cylindré des pompes), la capacité d’emmagasinage (le volume de l’accumulateur) et finalement, la vitesse maximale à laquelle la récupération d’énergie cinétique devrait se faire. Cette évaluation a été réalisée avec une version antérieure du modèle de simulation présenté au Chapitre 4 et basée sur des données d’opération enregistrées sur certains des camions présentés au Chapitre 3. Les résultats ont démontrés qu’un dimensionnement des composants permettant la récupération de l’énergie au freinage pour des vitesses inférieures à 35 km/h donnerait un rendement optimal. Cela s’explique par la forte proportion du temps d’opération d’un camion qui est passée en mode collecte et des faibles vitesses atteintes durant ce mode.
Unicité du système hybride à assistance au MCI
L’architecture du système hybride hydraulique à assistance au MCI est novatrice. En effet, une étude approfondie d’antériorités de brevet réalisée en 2008 à l’aide de l’Institut canadien de l’information scientifique et technique (ICIST) du Centre de recherche national du Canada (CNRC) a permis de relever 539 brevets traitant de systèmes hybrides pour véhicules lourds. L’analyse de ces demandes de brevet émis, de même que d’autres types de documents publiés, a démontré la brevetabilité de l’architecture développée. Ainsi, une demande de brevet a été déposée au États-Unis le 9 décembre 2008 alors qu’une demande PCT (Pattent Cooperation Treaty) a été déposée le 27 novembre 2009. Portant respectivement les numéros de dépôt 12/330,976 et PCT/CA2009/001747, ces deux demandes ont comme titre Braking energy recovery system for a vehicle and vehicle equiped with same. Au moment de déposé cette thèse, des demandes de brevet étaient émises dans une dizaine de pays de part le monde.
MODÉLISATION D’UN CAMION À ORDURES HYBRIDE
Un modèle de simulation numérique de la consommation de carburant de camions à ordures hybrides est nécessaire afin de caractériser de façon détaillée les conditions d’utilisation, dimensionner les composants, développer et optimiser la stratégie de contrôle du système hybride.
Fondamentalement, il existe deux méthodes distinctes pour l’élaboration de modèles de simulation numérique de la consommation de carburant (Wipke, Cuddy et Burch, 1999). La première méthode utilise la modélisation en amont (foward modelisation) pour simuler la consommation du véhicule. Ce type de modélisation se sert d’un modèle de conducteur pour ajuster une commande de couple moteur afin de suivre un profil de vitesse prescrit.
L’autre méthode de simulation est basée sur la modélisation en aval (backward simulation).
Celle-ci utilise le profil de vitesse prescrit pour calculer directement le couple nécessaire aux roues du véhicule. Le modèle « remonte » ensuite le système de propulsion du véhicule pour déterminer le couple moteur. Bien que la modélisation en amont reproduise plus fidèlement le comportement transitif du véhicule, le réglage d’un tel modèle est une tâche complexe qui demande beaucoup de temps. En revanche, la modélisation en aval qui est considérée comme une méthode statique ou quasi-statique est beaucoup plus simple et procure de bons résultats quant à la prédiction de la consommation de carburant. Par conséquent, cette méthode a initialement été préconisée pour la conception de la stratégie de contrôle.
Généralement, les travaux visant le développement de stratégies de contrôle de véhicules hybrides et utilisant la modélisation en aval sont basés sur des outils commerciaux tels que ADVISOR, un logiciel développé dans le cadre d’un projet dirigé par le National Renewable Energy Laboratory du U.S. Department of Energy à la fin des années 90. Relativement simple et polyvalent, il s’agit d’un modèle empirique dont le comportement des composants est représenté par des cartographies (Markel et al., 2002; Wipke, Cuddy et Burch, 1999).
RAFFINEMENT DE LA GESTION DU SYSTÈME HYBRIDE À ASSISTANCE AU MCI
La gestion de systèmes à l’aide d’une logique de contrôle basée sur des règles heuristiques est une approche intuitive souvent retenue comme première solution pour faire la preuve d’un concept. Dans le cas de la démonstration du système hybride à assistance au MCI, cela s’est fait à partir des règles de contrôle présentées à la section 5.1.1. Bien que la pertinence de certaines de ces règles aie été évaluée dans une étude antérieure (Wu et al., 2004) et que la stratégie adoptée soit basée sur une connaissance approfondie de l’architecture du système hybride et des conditions d’utilisation des camions à ordures; il est possible que la logique de contrôle actuelle ne soit pas optimale et qu’un raffinement de cette dernière permettrait de profiter d’opportunités d’économies supplémentaire. Or, comme il a été suggéré dans la discussion sur la revue des méthodes de contrôle existantes, la détermination d’une politique de contrôle optimale à l’aide de la programmation dynamique déterministe (PDD) est un excellent point de départ pour un exercice de raffinement d’une stratégie de contrôle. En dévoilant les décisions de contrôle idéales pour un cycle d’opération connu et représentatif, la politique de contrôle optimale issue de la PDD servira de guide et de référence pour le raffinement de la logique de contrôle actuelle. Par conséquent, tout dépendamment des résultats obtenus, il pourrait s’avérer suffisant d’améliorer les règles actuelles ou, en revanche, plus avantageux d’adopter une méthode de contrôle plus avancée parmi celles présentées au Chapitre 2.
L’objectif ici n’est pas de déterminer de façon absolue le potentiel d’économie du système hybride mais plutôt de soulever des opportunités d’amélioration. Ce chapitre présente donc une revue sommaire de la programmation dynamique déterministe, une description de l’algorithme développé pour le cas à l’étude ainsi qu’une présentation des résultats obtenus suivi d’une discussion sur les mesures à prendre.
Discussion sur la gestion du système hybride à assistance au MCI
En somme, les résultats de l’exercice d’optimisation de la logique de contrôle du système hybride à assistance au MCI confirme certaines hypothèses émises au Chapitre 5 soit que :
1. il faut s’assurer que l’accumulateur puisse recevoir un maximum d’énergie à chaque freinage;
2. il est avantageux d’utiliser le moteur hydraulique à pleine capacité (i.e. : 100 % d’ouverture) puisse qu’il fonctionne alors à son efficacité optimale.
Également, le contrôle optimal propose deux nouveaux aspects à considérer soit de :
1. gérer la pression dans l’accumulateur afin de maximiser la régénération d’énergie durant les freinages à basse vitesse en augmentant la capacité des pompes;
2. sujet à l’aspect 1, utiliser le moteur hydraulique pour amener le MCI à fonctionner à son efficacité optimale, que ce soit au ralenti ou à l’accélération.
Cependant, considérées indépendamment, ces deux nouvelles stratégies de contrôle représentent un risque élevé pour un gain potentiel trop faible. En effet, ce risque est de manquer une opportunité de récupérer de l’énergie durant un long freinage si la pression dans l’accumulateur était au préalable trop élevée. Cela serait dû au fait que le contrôleur maintenait la pression à ce niveau pensant qu’un court freinage suivrait ou encore, qu’il retardait l’utilisation du moteur hydraulique afin de pouvoir éventuellement assister le MCI à un moment plus opportun. Dans une telle situation, les performances du système hybride se verraient en fait diminuées. De plus, l’application pratique de ces aspects représente un défi de taille. Pour gérer la pression de l’accumulateur adéquatement sans affecter les performances du freinage régénératif, il faudrait potentiellement faire appel à une méthode de contrôle plus intelligente et capable de prédire l’intensité du freinage à venir
Présentation du système hybride coupe-moteur et de son fonctionnement
Le système hybride coupe-moteur de la Figure 7.2 permet de profiter de cette opportunité d’économie de carburant. Produit direct de ce projet d’études, cette architecture est en fait une combinaison du système hybride à assistance au MCI et de l’architecture à pression assistée indirecte présentée à la section 3.2.1.
Ainsi, à la suite d’un freinage, lorsque qu’une quantité minimale d’énergie est emmagasinée dans l’accumulateur (4) et que le véhicule est immobile, le système éteint le MCI complètement. Similairement au système hybride à pression assistée indirecte, un moteur hydraulique à déplacement variable (5) entraîne alors une pompe hydraulique à débit fixe (6), laquelle fournit un débit hydraulique à l’équipement auxiliaire (Figure 7.3b) équivalent au débit habituellement fourni par la pompe existante (9). L’opérateur peut donc utiliser l’équipement auxiliaire normalement. Éventuellement, le MCI est redémarré à l’aide du moteur hydraulique à déplacement variable (7) selon deux manières différentes. Premièrement, lorsque la quantité d’énergie restant dans l’accumulateur atteint un niveau minimum critique et que le conducteur n’appuie pas sur l’accélérateur, le moteur hydraulique (7) applique un couple de démarrage au MCI pour amener celui-ci à son régime de fonctionnement au ralenti (Figure 7.3c). Autrement, si le conducteur appuie sur l’accélérateur avant d’atteindre le niveau minimum critique, le moteur hydraulique (7) fournit le couple demandé; ce qui à la fois initie l’accélération du véhicule et redémarre le MCI (Figure 7.3d).
Finalement, avec cette architecture, la recharge de l’accumulateur directement par le MCI est incluse (Figure 7.3e). Pour ce faire, les pompes hydrauliques du système de freinage régénératif sont utilisées durant l’accélération afin d’augmenter la pression de l’accumulateur à un niveau minimum prescrit. Cela a pour effet de solliciter d’avantage le MCI durant l’accélération et de momentanément augmenter la consommation de carburant.
Par contre, la recharge de l’accumulateur peut augmenter les opportunités de couper le MCI à l’arrêt et ainsi d’engendrer d’importantes économies d’énergie.
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Table des matières
CHAPITRE 1 INTRODUCTION
1.1 Problématique
1.1.1 Principes de base d’un véhicule hybride
1.1.2 Particularités des camions à ordures
1.1.3 Systèmes hybrides pour camion à ordures
1.1.4 Effenco et le système hybride HEADMC
1.2 Objectifs de la recherche
1.3 Contributions de cette thèse
1.4 Organisation de cette thèse
CHAPITRE 2 LA GESTION ÉNERGÉTIQUE DES VÉHICULES HYBRIDES : UNE REVUE DES APPROCHES EXISTANTES
2.1 Méthodes de type thermostat
2.2 Méthodes basées sur des règles heuristiques
2.3 Logique floue
2.4 Contrôle optimal
2.4.1 Optimisation par Programmation Dynamique Déterministe (PDD)
2.4.2 Optimisation par Programmation Dynamique Stochastique (PDS)
2.4.3 Minimisation instantanée de la consommation de carburant
2.5 Stratégies de contrôle adaptatives
2.6 Discussion sur les approches existantes
CHAPITRE 3 SYSTÈME HYBRIDE HYDRAULIQUE POUR CAMIONS À ORDURES : UNE ARCHITECTURE NOVATRICE
3.1 Caractérisation des conditions d’utilisation des camions à ordures
3.1.1 Description des activités de cueillette de données
3.1.2 Conditions d’utilisation typiques d’un camion à ordures
3.2 Développement de l’architecture du système hybride hydraulique pour camions à ordures
3.2.1 Système hybride à pression assistée indirecte
3.2.2 Système hybride assistant le MCI
3.3 Unicité du système hybride à assistance au MCI
CHAPITRE 4 MODÉLISATION D’UN CAMION À ORDURES HYBRIDE
4.1 Description du modèle de simulation
4.2 Calcul du couple de freinage régénératif requis
4.3 Calcul du couple transmis par la boîte d’engrenage
4.4 Calcul du couple et du débit de la pompe hydraulique
4.5 Calcul de la pression dans l’accumulateur hydraulique
4.6 Calcul du couple fournis par le moteur hydraulique
4.7 Calcul de la consommation de carburant
CHAPITRE 5 PROTOTYPES DU SYSTÈME HYBRIDE À ASSISTANCE AU MCI : PREUVE DE CONCEPT ET VALIDATION DU MODÈLE DE SIMULATION
5.1 Système de contrôle et instrumentation
5.1.1 Logique de contrôle
5.1.1.1 Gestion des systèmes de freinages
5.1.1.2 Gestion de l’assistance au MCI
5.1.2 Instrumentation des prototypes
5.2 Résultats expérimentaux
5.2.1 Fonctionnement du freinage régénératif
5.2.2 Fonctionnement de l’assistance au MCI
5.2.3 Évaluation des performances et validation du modèle de simulation
5.2.4 Économies mesurées dans le cadre du projet de démonstration
CHAPITRE 6 RAFFINEMENT DE LA GESTION DU SYSTÈME HYBRIDE À ASSISTANCE AU MCI
6.1 Programmation dynamique déterministe (PDD)
6.1.1 Développement de l’algorithme d’optimisation
6.2 Présentation et analyse des résultats
6.3 Discussion sur la gestion du système hybride à assistance au MCI
CHAPITRE 7 SYSTÈME HYBRIDE COUPE-MOTEUR
7.1 Présentation du système hybride coupe-moteur et de son fonctionnement
7.2 Détermination du contrôle optimal à l’aide de la PDD
7.2.1 Adaptation du modèle de simulation
7.2.2 Adaptation de l’algorithme d’optimisation
7.2.3 Présentation et analyse des résultats
7.2.4 Élaboration d’une stratégie de contrôle pour le système hybride coupemoteur
7.3 Discussion sur la gestion du système hybride coupe-moteur
CHAPITRE 8 CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS
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