Soutenance mémoire
Le travail de recherche concerne la récupération d’énergie par un système de stockage mixte composé d’une batterie et d’une ultracapacité (UC) associées à une résistance de freinage d’un véhicule électrique entraîné par deux roues motrices avant. L’objectif est ici d’étudier le cas des freinages brusques tout en assurant la stabilité du véhicule en prenant en compte les contraintes associées à la récupération optimale de l’énergie cinétique. Afin de pouvoir évaluer le flux d’énergie tout le long de la chaîne de conversion, partant du contact pneu-sol arrivant aux éléments de stockage et en traversant les différents éléments de conversion d’énergie, l’approche modulaire sera adoptée. Chaque module sera modélisé pour être analysé localement avant d’être intégré dans le système global.
L’emplacement des moteur-roues à l’avant du véhicule revêt une importance énergétique bien particulière. En fonction de cette structure choisie, et en se basant sur les contraintes apportées par la règlementation de la Commission Economique pour l’Europe de l’Organisation des Nations Unies No.13 harmonisé ECE R13H pour un véhicule type M1 (véhicule motorisé pour le transport des passagers ne comprenant pas plus de huit places assises, outre le siège du conducteur), une nouvelle méthode de répartition et d’évaluation des forces de freinage pour les roues avant et arrière sera donc proposée. En partant de cette règlementation, la finalité est de maximiser les forces de freinage avant pour assurer une plus grande récupération d’énergie prenant en compte le comportement dynamique et cinématique du véhicule. Les nombreux essais et résultats de simulation, effectués sur différents types et conditions de route, ont montré des performances meilleures en termes de quantité d’énergie récupérable et de stabilité du véhicule, et ce en comparaison avec une méthode existante dans la littérature. Les forces de freinage des roues avant seront distribuées entre la force mécanique par friction (frein par tambour ou frein à disque) et la force électrique assurée par les moteurs électriques. A ce niveau de conception, deux problèmes apparaissent. Tout d’abord, le système de commande devra fournir le couple de freinage maximal en respectant les contraintes électromagnétiques du moteur, tout particulièrement pour les hautes vitesses. Ensuite, pour les routes à faibles coefficients de friction, ce système devra être capable de produire le couple électrique juste nécessaire assurant une opération de freinage sûre et sans glissement. Une méthode innovante de commande du moteur synchrone à aimant permanent intérieur (en acronyme anglais : IPMSM, Interior Permanent Magnet Synchronous Motor) en traction ou en freinage régénératif sera donc conçue et proposée. Elle sera basée, en premier lieu, sur la combinaison de trois méthodes de contrôle-commande : Maximum Torque per Ampere (MTPA), Voltage Current Limited Maximum Torque (VCLMT) et Constant Power Region (CPR). En second lieu, pour des couples de référence d’amplitude plus faibles que le couple maximal, il sera envisagé de décomposer les caractéristiques dans le plan couple/vitesse de la machine en 5 zones de fonctionnement. Cette méthode génèrera ainsi les courants de référence pour le système de commande des courants du moteur.
La puissance générée par les machines sera récupérée sur le bus DC par les éléments de stockage du système mixte suivant une stratégie visant à minimiser la sollicitation de la batterie que ce soit en traction ou en freinage afin d’étendre sa durée de vie. Afin de maîtriser le flux d’énergie, surtout lors du freinage brusque, et pour éviter toute surtension sur le bus DC, une attention particulière sera apportée à la synthèse des correcteurs utilisés pour le hacheur DC/DC à 3-niveaux lié à l’ultracapacité. Afin de réguler la tension du bus DC, un système de régulation en cascade série sera privilégié. Ce système possèdera trois boucles d’asservissement relatives à deux grandeurs électriques internes ayant des réponses dynamiques différentes (tension et courant de l’ultracapacité), et une grandeur électrique qui est la tension du bus DC. Une résistance de freinage dissipative protègera le bus DC et la batterie des contraintes de tension et de courant. La quantité d’énergie dissipée sera commandée par un système de régulation en pseudo-cascade.
L’ultracapacité est supposée être un stockeur d’énergie électrique dynamique potentiel. La puissance de cet élément est fonction de la tension à ses bornes et du courant absorbé par l’ultracapacité. Ces deux grandeurs sont, toutes deux, régulées par le système de commande décrit ci-dessus. La valeur maximale du courant absorbé est considérée dans le pire des cas, c’est-à-dire lorsque l’ultracapacité est supposée être à son niveau minimal de tension et lors d’un besoin en puissance maximale. Ce système fera l’objet d’une étude comparative par rapport à un accumulateur mécanique d’énergie cinétique : le volant d’inertie. Dans ce cas, la puissance du volant d’inertie est fonction de la vitesse de la masse tournante et du couple généré par le moteur électrique entraînant le volant. Ce couple a une valeur bien limitée. Ceci est dû au fait que, lors de la conception, la puissance maximale sera assurée pour une vitesse maximale du volant d’inertie, et non pas minimale. Dans ce cas, lorsque la tension est plus basse, la batterie pourra être sollicitée beaucoup plus que dans le cas d’un système de stockage mixte à ultracapacité. Les apports scientifiques de la thèse sont développés dans les chapitres suivants. Un état de l’art de la thématique sera introduit au premier chapitre du manuscrit. Dans ce chapitre préliminaire, il sera discuté en particulier de l’émergence de l’énergie électrique et son retour au domaine de traction des véhicules après une longue absence, et ceci grâce aux engagements et responsabilités collectifs des états et des constructeurs d’automobiles ainsi qu’aux avancées effectuées dans les différents domaines technologiques et scientifiques.
Au vu de la contrainte embarquée de l’application et de l’emplacement des moteurs (intégrés aux roues), le moteur IPMSM s’impose par rapport aux autres types de moteurs candidats. Une nouvelle méthode de génération des courants de références sera présentée garantissant un couple régénératif élevé à haute vitesse.
Généralités
Les éléments de puissance dans un véhicule électrique sont les batteries, les supercondensateurs (ou ultracapacités UC), les convertisseurs et les moteurs électriques. Plusieurs technologies de ces éléments ont été développées pour améliorer la durabilité, le rendement, la robustesse…etc. Dans ce chapitre, nous rappelons brièvement l’historique des véhicules électriques (cf.I.1.2) en discutant de l’émergence de ces véhicules et des volontés politiques pour le développement de ce secteur. Ensuite, nous présentons les différents types de batteries utilisées dans la traction électrique (cf. I.1.5) avec les avantages et les inconvénients de chaque type. Nous discuterons de la nécessité de l’usage des supercondensateurs (cf. I.1.6) dans les véhicules électriques. Un rappel sur les machines électriques utilisées dans la traction électrique sera traité (cf. I.1.7). Une discussion sur les moteur-roues sera entamée dans (cf. I.1.8).
Bref historique
Au début, les trois technologies de traction qui dominaient le secteur automobile étaient : les véhicules à combustion interne, les véhicules à vapeur et les véhicules électriques .
En 1834, le premier véhicule alimenté par une batterie non rechargeable est utilisé pour les courts trajets. En 1900, 4200 automobiles furent vendus dont 40 % à vapeur, 38 % électriques et 22 % à carburant fossile. Entre 1910 et 1920, des progrès remarquables ont été réalisés sur les véhicules électriques au niveau de la capacité de stockage de la batterie, de sa durée de vie, de la distance parcourue et des coûts de maintenance. Par contre, l’évolution de la technologie des moteurs à combustion interne était bien plus rapide en termes de trajet, de vitesse, de démarrage… En 1920, les véhicules à combustion interne deviennent prédominants grâce à l’invention du démarreur (1911) et aux améliorations dans la production de masse du véhicule Henry Ford Model T vendu à 260 $ en comparaison à 850 $ en 1909. Les véhicules électriques disparaissent, pour réapparaître en 1960 .
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Table des matières
Introduction Générale
Chapitre I : Etat de l’art et contexte de l’étude
I.1 Généralités
I.1.1 Introduction
I.1.2 Bref historique
I.1.3 Emergence des véhicules électriques
I.1.4 Volonté politique
I.1.5 La Batterie
I.1.5.a Introduction
I.1.5.b Constitution et caractéristiques d’une batterie Li-Ion
I.1.5.c Dégradation d’une batterie Li-ion
I.1.6 Les Ultracapacités
I.1.6.a Constitution et Caractéristiques des Ultracapacités
I.1.6.b Applications automobiles
I.1.7 Les machines électriques utilisées dans la traction
I.1.7.a Les exigences des moteurs électriques utilisés dans la traction des véhicules électriques
I.1.7.b Les différents types de moteurs
I.1.7.c Les moteurs synchrones à aimant permanent pour la propulsion des véhicules électriques
I.1.8 Les Moteur-roues
I.1.8.a Introduction
I.1.8.b Défis des véhicules électriques à moteur-roues
I.2 Commande des moteurs de traction
I.3 Etat de l’art sur les systèmes de stockage hybride d’énergie
I.3.1 Introduction
I.3.2 Différentes configurations de systèmes de stockage d’énergie hybrides
I.3.3 Système de stockage hybride proposé pour l’application
I.3.4 Stratégie de récupération
I.4 Les méthodes de freinage
I.4.1 Introduction
I.4.2 Méthode de freinage proposée
I.5 Utilisation des volants d’inertie dans les systèmes de stockage d’énergie hybrides
I.6 Besoins en logiciel
I.7 Conclusion
Chapitre II : Stratégie de commande des moteurs IPMSM pour une traction et un freinage régénératif optimaux
II.1 Généralités
II.1.1 Modèle mathématique de l’IPMSM
II.1.2 Contraintes de fonctionnement
II.2 Méthodes de commande de couple
II.2.1 Maximum Torque per Ampere Control (MTPA)
II.2.2 La commande VCLMT
II.2.3 Région à Puissance Constante
II.2.4 Combinaison de trois stratégies de commande
II.3 Décomposition des caractéristiques couple/vitesse en 5 zones
II.4 Equation mathématique pour chaque zone
II.4.1 Equations des Zone I et Zone II
II.4.2 Equations des Zone III, Zone IV et Zone V
II.4.3 Courbe séparant la Zone II de la Zone III
II.4.4 Courbe limitant la Zone V
II.5 Réglage des correcteurs des courants
II.5.1 Introduction
II.5.2 Réglage du courant
II.5.3 Réglage du courant
II.6 Résultats de simulation
II.6.1 Génération des tableaux de références
II.6.2 Couple de référence variable
II.7 Conclusion
Chapitre III : Comparaison entre deux méthodes de freinage intégrant un système de récupération d’énergie pour le véhicule
III.1 Introduction
III.2 Modèle cinématique du véhicule
III.2.1 Les références des coordonnées
III.2.2 Le parcours du véhicule dans le repère inertiel
III.2.3 Cinématique de braquage
III.2.4 Vecteur de vitesse
III.2.5 Angle de glissement latéral
III.2.6 Les coefficients de glissement
III.3 Modèle dynamique du véhicule
III.3.1 Dynamiques des roues
III.3.2 Friction pneu-route
III.3.3 Les freins hydrauliques
III.3.4 La force de résistance aérodynamique
III.3.5 Charges normales aux pneus du véhicule
III.4 Commande par mode glissement du coefficient de glissement
III.4.1 Introduction
III.4.2 Conception du régulateur
III.5 Commande de freinage selon la règlementation ECE R13H
III.5.1 Introduction
III.5.2 Contraintes de distribution des forces de freinage avant/arrière
III.5.3 Stratégie de Distribution des Forces de Freinage
III.5.4 Stratégie de distribution entre forces de freinage électrique/mécanique pour les roues Avant
III.5.5 Système de stockage hybride
III.6 Système de Simulation
III.6.1 Introduction
III.6.2 Le modèle Simulink et les blocs de commande
III.6.3 Résultats de Simulation
III.6.3.a Surface à Coefficient de Friction Elevé
III.6.3.b Surfaces à Coefficients de Friction Moyen et Faible
III.7 Conclusion
Chapitre IV : Conception et Commande du Système de Stockage Hybride d’énergie
IV.1.1 Généralités
IV.1.2 Configuration Electrique
IV.2 Dimensionnement des éléments
IV.2.1 Dimensionnement de la batterie
IV.2.2 Dimensionnement de l’ultracapacité
IV.2.2.a Modèle de l’ultracapacité (UC)
IV.2.2.b Quantification de la puissance
IV.2.3 Dimensionnement de l’inductance
IV.2.4 Dimensionnement de la résistance de freinage
IV.3 Aspects de la commande du convertisseur à 3-niveaux
IV.3.1 Conception du correcteur de courant
IV.3.1.a Convertisseur DC/DC à 3-niveaux
IV.3.1.b Synthèse du correcteur du courant
IV.3.1.c Stabilité de la Boucle Fermée du Courant de l’UC
IV.3.2 Synthèse des correcteurs des tensions
IV.3.2.a Modèle du convertisseur DC/DC à 3-niveaux pour les correcteurs de tensions
IV.3.2.b Correcteur de la tension de l’ultracapacité
IV.3.2.c Stabilité de la boucle fermée de la tension de l’UC
IV.3.2.d Synthèse du correcteur de la tension du bus DC
IV.3.2.e Stabilité de la boucle fermée de la tension bus DC
IV.3.2.f Robustesse du système
IV.3.2.g Commande avec correction anti-emballement
Conclusion Générale
