Véhicules hybrides : définition et problématique

La conception d’un véhicule électrique hybride est une étude complexe à mener. En effet, de nombreux paramètres interviennent dans l’optimisation de ce type de véhicule amenant le concepteur à faire des choix plus ou moins a priori sur l’architecture ou le dimensionnement des composants par exemple. L’objectif de notre étude est de proposer une méthode de prédimensionnement limitant, dans la mesure du possible, ces choix a priori.

DEFINITION D’UN VEHICULE ELECTRIQUE HYBRIDE

DEFINITION ET HISTORIQUE 

Par définition, un véhicule hybride est un véhicule intégrant deux sources d’énergies différentes, par exemple un moteur thermique conventionnel avec son réservoir de carburant et une machine électrique associée à une batterie (Rousseau, 2008). En 1898, la Lohner-Porsche dite « la chaise » est le premier véhicule hybride thermiqueélectrique. Son architecture de type série incluait un moteur à combustion entraînant une génératrice qui alimentait des moteurs électriques situés dans les moyeux des roues avant. Cette automobile pouvait parcourir près de 60 km sur batterie seule (Chan, 2007).

Dans les années 1900, une automobile mixte pétrole/électricité, développée par le constructeur Pieper, est commercialisée en Belgique. Un moteur électrique aidait le moteur à pétrole de 3,5 CV dans les côtes et rechargeait les batteries dans les descentes (Beretta, 2010). En 1902, la compagnie Krieger construisit quelques prototypes hybrides équipés d’un moteur thermique qui rechargeait les batteries via une dynamo. Ce constructeur basé à Paris fabriquait déjà des véhicules électriques avec roues avant motrices.

L’intérêt pour les véhicules hybrides commence à baisser avec le développement des moteurs thermiques et des chaînes de production d’Henry Ford à partir de 1904 (Chan, 2007). Entre 1910 et 1918, la société Commercial Construction Trucks a produit des véhicules dont le moteur à essence entraîne une génératrice qui alimentait directement le moteur de traction, éliminant ainsi la nécessité d’une transmission ou d’une batterie.

En 1969, les voitures hybrides réapparurent après une longue période sans avancée. La General Motors 512 a été conçue pour fonctionner selon trois modes : en tout électrique pour une vitesse inférieure à 10 miles/h, en combiné électricité essence entre 10 et 13 miles/h et en tout thermique au-delà de 13 miles/h. L’intérêt pour la technologie hybride revient après l’embargo pétrolier de 1973. Volkswagen développe un véhicule hybride appelé « Taxi » avec la plage de rendement la plus grande de tous les hybrides présentés dans le monde jusque là puisqu’une commutation est possible entre son moteur électrique et son moteur à essence.

En 1989, Audi présente son hybride Duo. C’est un hybride bi-mode dont le moteur électrique, alimenté par une batterie au nickel-cadmium, est connecté aux roues arrière du véhicule alors que le moteur thermique entraîne les roues avant. L’ère moderne de l’automobile hybride commence en 1997 avec la commercialisation de la Toyota Prius au Japon. Deux ans plus tard, Honda lance l’Insight suivie de près par la Honda Civic Hybrid. En une dizaine d’années, plus d’un million de véhicules hybrides ont été vendus dans le monde et plus de vingt nouveaux modèles ont été introduits sur le marché automobile (Beretta, 2010).

FONCTIONNALITES

Grâce à l’hybridation de sa propulsion, un véhicule peut exploiter de nouvelles fonctionnalités par rapport au véhicule conventionnel afin de réduire sa consommation de carburant, d’améliorer ses performances et son confort de conduite (Rousseau, 2008).

1) Stop & start : Ce système permet d’arrêter le moteur thermique lors des arrêts aux feux rouges ou dans les embouteillages, puis de le redémarrer rapidement avec la possibilité d’une aide du moteur électrique pour favoriser le démarrage du véhicule. Ainsi, la consommation de carburant du moteur au ralenti est économisée lors d’arrêts de courte durée.
2) Mode boost : Ce mode correspond à l’assistance du moteur thermique par la machine électrique. Cela permet de faire tourner le moteur thermique à un point de fonctionnement avec un meilleur rendement. Ce mode peut aussi être actionné lorsque la demande en puissance est supérieure à celle que peut développer le moteur thermique.
3) Mode régénération : Dans ce mode, le moteur thermique fournit une puissance supérieure à celle demandée au niveau des roues afin de fonctionner à un meilleur rendement. Le surplus d’énergie est récupéré par la machine électrique, en mode génératrice, et emmagasiné dans un organe de stockage pour être utilisé ultérieurement.
4) Mode freinage récupératif : L’énergie cinétique du véhicule au freinage est récupérée sous forme d’énergie électrique et stockée.
5) Mode tout thermique : Cette fonctionnalité est celle d’un véhicule thermique classique puisque la batterie n’est pas utilisée. Ce mode est activé si la batterie est déchargée ou si le moteur thermique peut fonctionner à un bon rendement, lors d’un parcours autoroutier par exemple.
6) Mode tout électrique : A l’inverse, il s’agit du mode pour lequel le véhicule est propulsé à l’aide de l’énergie contenue dans l’organe de stockage alors que le moteur thermique est arrêté. Ce mode offre tous les avantages du véhicule électrique : une consommation de carburant nulle, l’absence de rejet de polluant et un fonctionnement silencieux.

La motorisation thermique 

Il existe différentes technologies de motorisation thermique comme par exemple le moteur diesel, à essence, au gaz de pétrole liquéfié, au gaz naturel ainsi que les moteurs à combustion externe Stirling ou Ericsson. Les moteurs diesel et à essence sont les plus courants dans le domaine automobile.

Comme rappelé précédemment, l’intérêt de la motorisation thermique provient des caractéristiques spécifiques du carburant en termes de puissance et d’énergie. Ainsi, un moteur thermique permet à lui seul de propulser un véhicule avec un réservoir de 40 litres sur 800 kilomètres d’autoroute, parcours qui demande une forte puissance et une grande autonomie. Cependant, un moteur thermique présente quelques défauts. En effet son rendement ne dépasse pas les 45% pour le moteur diesel, il est bruyant et rejette des polluants. De plus un moteur thermique ne possède pas de couple à faible vitesse, son rendement est particulièrement mauvais à faible couple et sa plage de vitesse est réduite. Une boîte de vitesse permet de palier partiellement à ces défauts et d’utiliser le moteur dans de meilleures conditions.

La motorisation électrique

Les différentes technologies de machines électriques dans le domaine automobile sont les machines asynchrones, les machines synchrones à aimants permanents ou les machines synchrones à réluctance variable. Les machines à courant continu sont devenues obsolètes pour cette application avec les progrès de la commande des machines. La motorisation électrique a deux fonctions dans un véhicule hybride. Soit la machine électrique fonctionne en mode moteur pour propulser le véhicule, soit elle fonctionne en génératrice pour récupérer l’énergie mécanique (au freinage ou fournie par le moteur thermique) et recharger la batterie. L’inconvénient majeur de cette technologie provient de la faible autonomie des sources d’énergie électrique qui lui sont connectées. Les avantages de ce composant par rapport au moteur thermique sont un excellent rendement atteignant les 90% en moyenne pour les gammes de puissance considérées, un fonctionnement silencieux et propre. De plus, un moteur électrique permet de fournir un couple à faible vitesse appréciable au démarrage d’un véhicule et possède un fonctionnement à puissance maximale avec un bon rendement sur une large plage de vitesse.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 Véhicules hybrides : définition et problématique
1.1 Introduction
1.2 Définition d’un véhicule électrique hybride
1.2.1 Définition et historique
1.2.2 Fonctionnalités
1.2.3 Composants des véhicules électriques hybrides
1.2.4 Classification suivant l’hybridation
1.2.5 Architectures des véhicules électriques hybrides
1.3 Dimensionnement d’un véhicule électrique hybride
1.3.1 Modèle mécanique d’un véhicule
1.3.2 Modélisation de l’usage d’un véhicule
1.3.3 Modélisation d’une chaîne de traction
1.3.4 Stratégies de gestion de l’énergie
1.3.5 Dimensionnement d’un véhicule
1.4 Conclusion
Chapitre 2 Modélisation de la mission d’un véhicule
2.1 Introduction
2.2 Acquisition d’informations
2.2.1 Le Géo-Positionnement par Satellite (GPS)
2.2.2 Indicateurs de caractérisation des missions
2.2.3 Mission urbaine mesurée
2.2.4 Mission extra-urbaine mesurée
2.2.5 Comparaison des missions mesurées aux cycles de conduite standards
2.3 Outils de Modélisation d’un processus temporel
2.3.1 Les méthodes d’intelligence artificielle
2.3.2 Les méthodes statistiques
2.3.3 Comparaison des méthodes et choix du modèle
2.4 Modélisation matricielle de Markov
2.4.1 Propriété de Markov
2.4.2 Définition des matrices de transition
2.4.3 Exemple d’estimation des matrices de transition
2.5 Modélisation du profil de puissance
2.5.1 Application aux profils de puissance mesurés
2.5.2 Simulations et analyses du modèle
2.5.3 Conclusion sur la modélisation du profil de puissance
2.6 Modélisation de la mission du véhicule
2.6.1 Choix du nombre d’états de la modélisation
2.6.2 Application aux missions mesurées
2.6.3 Simulations et analyses du modèle
2.6.4 Synthèse de la modélisation de la mission d’un véhicule
2.7 Conclusion
Chapitre 3 Modèle d’un véhicule pour son dimensionnement
3.1 Introduction
3.2 Modélisation du véhicule
3.2.1 Variables d’entrée et de sortie du modèle
3.2.2 Approche par les flux de puissance
3.3 Modèles génériques adimensionnels des composants
3.3.1 Modèle de la batterie
3.3.2 Modèle de la machine électrique
3.3.3 Modèle du moteur thermique
3.3.4 Modèle du groupe électrogène
3.4 Stratégie de gestion de l’énergie
3.4.1 Stratégie pour la structure série
3.4.2 Stratégie pour la structure parallèle
3.5 Calcul de la consommation
3.5.1 Calcul de la consommation moyenne de carburant lors d’une mission
3.5.2 Application à une mission standard
3.6 Conclusion
Chapitre 4 Application au dimensionnement d’un véhicule hybride
4.1 Introduction
4.2 Structure hybride série
4.2.1 Algorithme de dimensionnement
4.2.2 Résultats du dimensionnement selon différents types de mission
4.3 Structure hybride parallèle
4.3.1 Algorithme de dimensionnement
4.3.2 Résultats du dimensionnement selon différents types de mission
4.4 Comparatif des structures par rapport aux missions
4.5 Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie
ANNEXES

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