Le système de propulsion hybride électrique

Méthodes de modélisation

Plusieurs travaux proposent des méthodes sur la modélisation de systèmes multi-domaines qui sont régis par l’interaction mutuelle de phénomènes physiques différents (électriques, mécaniques, thermiques, hydrauliques).
L’outil bond-graph ou graphe de liaison défini par Karnopp, Margolis et Rosenberg se présente comme un intermédiaire entre le système physique et les modèles qui lui sont associés. Cette méthode permet de mettre en évidence les relations de cause à effet dans le système de façon à permettre plus facilement l’écriture des équations algébriques et différentielles de chaque sous-système. La méthodologie est basée sur les échanges de puissance entre les différents sous-systèmes qu’ils soient électriques ou mécaniques.
La Représentation Énergétique Macroscopique ou REM est une autre méthode d’analyse de systèmes électromécaniques. Cette méthode développée par Bouscayrol est là encore, une description graphique des échanges d’énergie entre les sous-systèmes. La notion de transfert d’énergie selon le principe de l’action et de la réaction est au cœur de cette démarche. Cette dernière respecte différentes lois pré-établies qui permettent de simuler les systèmes multi-machines . Ainsi une structure de commande maximale (SCM) est déduite des règles d’inversion et permet d’être rapidement définie.

Le véhicule hybride et sa simulation

Le système choisi pour illustrer la simulation multi-domaines est celui du véhicule hybride électrique. Dans l’article de Emadi, Kaushik et Sheldon, les auteurs résument les différentes architectures hybrides actuellement possibles. Ce type de véhicule possède un important avantage par rapport à une automobile classique ou complètement électrique. Outre sa faible consommation d’essence, il permet de disposer d’excellentes performances dynamiques. Ainsi les véhicules hybrides électriques permettent d’obtenir un rendement énergétique de l’ordre de 30-40% comparativement aux 10-15% des véhicules conventionnels. L’architecture série/parallèle semblant être la plus performante dans ce domaine. L’élément le plus important étant le répartiteur de puissance (train planétaire) associé au système de gestion de l’énergie.
Plusieurs travaux ont tenté une approche de la simulation de ce type de véhicule. Dans l’article de Butler, Mehrdad, Preyas , les auteurs proposent une librairie contenant les principaux éléments d’un tel système (moteur électrique, génératrice, moteur thermique, boîte de vitesses … ) sous l’environnement Matlab/Simulink afin de simuler et tester les différentes architectures. Ce système ne fait pas intervenir les régimes transitoires de chaque sous-système. Il s’agit donc d’une vision globale (de haut niveau) du problème. Cependant d’autres travaux ont été effectués sur la simulation et mettent l’accent soit sur le sous-système de gestion de l’énergie soit sur les systèmes électriques et leurs modélisations (batterie, moteur synchrone) .

Technologies employées dans les véhicules hybrides

De nombreux travaux évoquent la technologie employée pour chacun des sous-systèmes et ce selon le type d’architecture utilisée . Du point de vue électronique de puissance, un des éléments importants est le convertisseur CC/CC et son bus CC à réguler. Sa tension doit alors rester constante quelque soit la source et la charge. Des convertisseurs à entrées multiples (batterie, super-condensateur, génératrice)  peuvent être employés. Des commandes spécifiques de moteur synchrone comme la commande vectorielle sont également utilisées. Un autre élément très important dans une architecture série/parallèle, est le train planétaire permettant d’additionner ou de diviser des couples sans imposer de vitesses de rotation aux éléments connectés.
Enfin, l’élément le plus important est le système de gestion de l’énergie permettant d’obtenir le meilleur rendement énergétique possible. Cette gestion de l’énergie est basée principalement sur la vitesse du véhicule ainsi que sur la position de la pédale d’accélération , mais également sur le climatiseur ou le rapport de réduction de la boîte de vitesses . Des algorithmes basés sur les systèmes flous en temps réel peuvent aussi être utilisés .

Problèmes des systèmes électromécaniques

En premier lieu, si l’on souhaite obtenir un modèle dont le comportement est représentatif de celui de la réalité, on s’aperçoit que les systèmes électromécaniques ne sont que très rarement linéaires ou stationnaires. Ces systèmes font notamment apparaître des discontinuités. En électronique de puissance notamment, l’utilisation d’interrupteurs pour le fonctionnement d’une commande spécifique d’un moteur, par exemple, peut s’avérer être un problème. Ces interrupteurs commutant à des fréquences élevées comparativement aux fréquences naturelles du reste du système, augmentent le nombre de calculs et par conséquent la durée de simulation. Les constantes de temps utilisées en électronique étant souvent beaucoup plus faibles que celles rencontrées en mécanique. De plus, de nombreuses non-linéarités sont souvent à prendre en compte dans les systèmes mécaniques telles que le cas d’une roue au contact du sol. Également, des problèmes d’oscillations et de stabilité peuvent apparaître au passage d’un domaine à l’autre. L’élaboration d’une commande globale peut aussi s’avérer complexe dans sa mise en œuvre du fait du nombre de variables dont elle dépend. La robustesse de la commande doit prendre en compte les erreurs de modélisation, les non-stationnarités et les erreurs de la commande elle-même .

SimPowerSystems (SPS)

L’outil logiciel SimPowerSystems ou SPS est un des modules contenus dans Simulink. Il s’agit d’un des modules de Physical Modeling. Il permet de modéliser et de simuler des réseaux électriques ainsi que des systèmes d’électronique de puissance détaillés .
La distribution, la consommation et la gestion de la puissance dans un système pouvant être simulées. Également, des blocs multimètres permettent de connaître la tension ou le courant pour n’importe quel point du circuit. SimPowerSystems inclus lui-même différentes sous librairies et notamment la librairie «Electric Drives» développée à l’ÉTS. Cette librairie propose des modèles électriques d’entraînements à courant alternatif et continu incluant des modèles détaillés de convertisseurs, de moteurs, et de contrôleurs.
Lors de la réalisation d’un modèle SimPowerSystems, ce dernier doit impérativement contenir le bloc «Powergui» pour qu’une simulation du circuit puisse se réaliser. Ce bloc contient le circuit Simulink équivalent représentant les équations d’états des différents éléments SimPowerSystems.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE LITTÉRAIRE 
1.1 Méthodes de modélisation
1.2 Le véhicule hybride et sa simulation
1.3 Technologies employées dans les véhicules hybrides
1.4 Le système hybride de la Toyota Prius
CHAPITRE 2 PRÉSENTATION DE LA SIMULATION MULTI-DOMAINES
2.1 Introduction
2.2 La simulation multi-domaines
2.2.1 Enjeu de la simulation multi-domaines
2.2.2 Problèmes des systèmes électromécaniques
2.2.3 Résumé et solution
2.3 Les modules contenus dans Matlab/Simulink
2.3.1 Simulink
2.3.2 SimPowerSystems (SPS)
2.3.3 SimMechanics
2.3.4 SimDriveline
2.3.5 Interconnexion des modules
2.4 Exemple d’application: la bobineuse
2.4.1 Présentation du modèle de la bobineuse
2.4.2 Description du système complet
2.4.2.1 Le sous-système de la machine électrique et son entraînement
2.4.2.2 Le réducteur de vitesse
2.4.2.3 Le contrôleur de la bobineuse
2.4.2.4 La bobineuse
2.4.3 Modélisation avec le module SimMechanics
2.4.4 Résultats obtenus avec le modèle SimMechanics
2.4.5 Comparaison des résultats avec le modèle original
2.5 Conclusion
CHAPITRE 3 LE SYSTÈME DE PROPULSION HYBRIDE ÉLECTRIQUE
3.1 Introduction
3.2 Définition et présentation de la voiture hybride
3.3 Les différentes architectures hybrides
3.3.1 L’architecture hybride série
3.3.2 L’architecture hybride parallèle
3.3.3 L’architecture hybride série/parallèle
3.3.4 Choix de l’architecture pour la Toyota Prius
3.4 La Toyota Prius et son système THS II
3.4 .1 Les différents modes de fonctionnement
3.4.2 Démarrage, basses et moyennes vitesses
3.4.3 Conduite normale
3.4.4 Forte accélération
3.4.5 Décélération, freinage et arrêt
3.4.6 Recharge de la batterie
3.5 Caractéristiques principales du système THS II
3.5.1 Le circuit électrique haute tension
3.5.2 La transmission hybride et son répartiteur de puissance
3.5.3 Le système de gestion de l’énergie
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4 DESCRIPTION DU MODÈLE SÉRIE 
4.1 Introduction
4.2 Le modèle série dans son ensemble et sa commande
4.3 Le système électrique
4.3.1 Le moteur électrique et son entraînement
4.3 .1.1 La machine synchrone à aimants permanents
4.3 .1.2 Onduleur triphasé
4.3 .1.3 Contrôleur
4.3.1.4 Commande vectorielle
4.3.2 La génératrice et son entraînement électrique
4.3.2.1 Paramètres de la génératrice
4.3.2.2 Régulateur de vitesse
4.3.3 Le circuit d’alimentation haute tension
4.3.3.1 Le convertisseur CC/CC
4.3.3.2 Le régulateur de tension du bus CC
4.3.3.3 Le modèle de batterie
4.4 Le système mécanique
4.4.1 Le moteur à combustion interne
4.4.2 La boîte de vitesses
4.4.3 Le différentiel
4.4.4 La dynamique longitudinale du véhicule
4.4.5 Le contact des roues avant au sol
4.5 Conclusion
CHAPITRE 5 RÉSULTATS DE SIMULATION DU MODÈLE SÉRIE 
5.1 Introduction
5.2 Définition des références des moteurs
5.3 Résultats généraux
5.3.1 Bilan des vitesses
5.3.2 Bilan des puissances
5.4 Analyse des différents modes de fonctionnement
5.4.1 Démarrage, basses et moyennes vitesses
5 .4.2 Recharge de la batterie
5.4.3 Forte accélération
5.4.4 Conduite normale
5.4.5 Freinage
5.5 Temps de simulation
5.6 Conclusion
CHAPITRE 6 DESCRIPTION DU MODÈLE SÉRIE/PARALLÈLE 
6.1 Introduction
6.2 Le modèle série/parallèle dans son ensemble
6.3 Le sous-système électrique
6.4 Le sous-système mécanique
6.4.1 Train planétaire épicycloïdal: détermination des vitesses
6.4.2 Train planétaire épicycloïdal: détermination des couples
6.5 Le sous-système de gestion de l’énergie
6.5.1 Détermination de la puissance requise
6.5.2 Détermination du mode hybride
6.5.3 Commande de couple du MCI et de vitesse de la génératrice
6.5.3.1 Calcul de mgéné
6.5.3.2 Calcul de TMci
6.5.4 Commande de couple du moteur électrique Tmoteur
6.6 Conclusion
CHAPITRE 7 RÉSULTATS DE SIMULATION DU MODÈLE SÉRIE/PARALLÈLE
7.1 Introduction
7.2 Définition des consignes
7.3 Résultats généraux
7.3.1 Performances dynamiques du véhicule
7.3.2 Bilan de puissance
7.3.3 Bilan du train planétaire
7.4 Analyse des résultats selon les différents modes de fonctionnement
7.4.1 Démarrage, basses et moyennes vitesses
7.4.2 Forte accélération
7.4.3 Conduite normale et recharge de la batterie
7.4.4 Freinage
7.5 Temps de simulation
7.6 Conclusion
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS 

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