Temps (s) - Bibliothèque Centrale Université de Ouargla

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR
ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
Université KASDI Merbah Ouargla
Faculté Des sciences appliquées
Département de Génie Mécanique
Mémoire
Présenté en vue de l’obtention du diplôme de Master en Génie Mécanique
OPTION
Géni Energétique
PAR
GHETTAS Charaf Eddine
GHACHI Naoui
THEME
Etude et Simulation d’un véhicule hybride
moteur MCI et moteur Electrique
Devant le jury :
Président :
BENCHEIKH Kamel
M. A.(A)
U. Ouargla
Rapporteur :
KOURAS Sid-Ali
M. A.(A)
U. Ouargla
Examinateurs :
KHALFI Mehdi
M.A. (A)
U. Ouargla
Soutenu le :2016 /2015
Remerciements
« Je remercie dieu tous puissant qui m’a donné le
courage, la force et la volonté pour achever ce
modeste travail.
Nous tisons en premier lieu à exprimer mes sincères
remerciements à nos parents.
Mes sincères remerciements à mon directeur de
mémoire monsieur
KOURAS Sid-Ali prof à l’université KASDI
MERBAH OUARGLA pour sa patience, son soutien
et ses encouragements
continuels qui ont permis l’aboutissement de ces
efforts en dépit des difficultés rencontrées dans ce
travail.
Mes remerciements également à tous ceux qui m’ont
apporté leur aide De prés ou de loin à l’élaboration
de mon projet de fin d’étude.»
Dédicace
« Louange à Dieu, le seul et unique »
A notre très chers parents et notre frères et
sœurs,
A notre encadreur Mr. KOURAS Sid-Ali
A tous notre amis ,A tous ceux qui ont participé
de près ou de loin
à la réalisation de ce travail.
Table des matières
Introduction générale…………………………………………...…………………….……..2
Chapitre I : GENERALITE SUR LES VEHICULES HYBRIDES
1
. Introduction …………………………………………………………………………6
2
. Les différentes architectures hybrides…………………………..…………………6
3
. Les modes de fonctionnement: …………………………..…………………………6
a. Le Stop and Start ………………………………………………...………….6
b. Le mode régénération. ………………………………………….…..……….7
c. Le mode freinage récupératif. …………………………………………...….7
d. Le mode boost ……………………………………………………….……….7
e. Le mode alternateur. ………………………………………………….…….7
f. Le mode thermique pur ……………………………………………………..7
g. Le mode électrique pur ………………………………………………………7
. Types d’architectures : ……………………………………………………………8
4
a. Architecture parallèle………………………………………………………...8
b. Architecture micro-hybride………………………………………………….9
c. Architecture série : ………………………………………………………..10
d. Architecture combinée………………………………………………………11
e. Autres architecture………………………………………………………….12
5
. La problématique de contrôle optimal…………………………………………..12
6
. Minimisation de la consommation de carburant sur cycle normalisé…………13
7
. Problème en temps-réel où le futur n’est pas connu :………………………….16
8
. Définition des classes de problèmes d’optimisation étudiés……….……………16
9
. Conclusion : ………………………………………………………………………17
CHAPITRE II: MODELISATION NUMERIQUES& SIMULINK
Première partie SIMULINK
1.
Introduction …………………………………………………………………19
2.
Position du Problème………………………………………………………..19
3.
Présentation de SIMULINK………………………………………………..20
4.
Construction d’un diagramme SIMULINK……………………………….21
a) Lancer le logiciel / Ouvrir un fichier ……..……………….22
b) Sources de signaux…………………………………….…22
c) Visualiser des signaux …………………..………………….23
d) Simuler………………………………….…………………..24
e) Modéliser (Bases…)………………………...……………….24
f) Display (ou afficheur)……………………………………….25
Deuxième partie la modélisation
1. Etude thermodynamique du moteur MCI……...…………………………………26
2. Les données de base du moteur ……………………………………………..……..27
3. Les paramètres du moteur………………………………………...………………….28
4. Paramètre du temps d'admission….……………………………………………….28
5. Paramètre du temps de compression….…………………………………………...29
6. Paramètre du temps combustion….…….………………………………………….29
7. Paramètre du temps détente………..………………………………………………30
8. Etude du moteur électrique………..……………………………………………….31
a.
Machine électrique asynchrones…………………………………..31
i. Stator……………………………………………..………………32
ii. Rotor bobiné…………………………………………..…………32
iii. Rotor à cage…………………………………………..………….32
iv. Rotor à double cage…………………………………...…………33
v. Rotor à encoches profondes…………………………...………..33
vi. Organes mécaniques (voir schémas ci-après)………………….33
Alimentation, caractéristiques et limites d’utilisation……………….34
b.
i. Démarrage direct………………………………………………..34
i.1.Caractéristiques en régime permanent………………………………34
i.2.Caractéristiques en régime dynamique………….…..…………………35
c.
Limitation du courant de démarrage………………………………...35
 Démarrage étoile – triangle…………………………………………35
 Insertion de résistances ou inductances statoriques………………35
 Démarrage par autotransformateur………………………………36
 Démarrage par gradateur de tension……………………………...36
 Utilisation d’un onduleur de tension……………………………….36
d.
Freinage des machines asynchrones………………………………..37
i. Freinage par contre courant……………………………………37
e.
Freinage par injection de courant continu…………………………38
f.Freinage en génératrice asynchrone………………………………40
g.
Freinage mécanique…………………………………………………40
9. CONCLUSION……….……………………………………………………………..42
CHAPITRE III : MODELISATION DES MOTEUR MCI ET
ELECTRIQUE
DU VEHICULE
1. Introduction………………………………………………………………………….44
2. Définition du model ……………………………..…………………………………..44
3. Modèles utilisés pour l'optimisation avec SIMULINK……………..……………..45
4. Sélection d’une machine asynchrone (moteur/génératrice)……………...……….46
5. Batterie……………………………………………………………………………….48
6. Moteur électrique et convertisseur…………………………………………………49
7. Moteur thermique……………………………………………….…………………..50
8. Critères et variables d'optimisation…………………………….………………….51
9. Impact des fonctionnalités de l'architecture……………………..………………..52
a. Véhicule conventionnel…………………………...…………………………52
b. Résultats de la simulation…………………………….…………………….54
10. Résultats d’une hybridation partielle………………………………..……………..57
a. Cas ou les batteries son chargé (charge plus de 65%)…………....57
i. Vitesse du véhicule moins de 40Km/h…………………...…………57
ii. Vitesse du véhicule plus de 40Km/h………………………………..58
b. Cas ou les batteries ne sont pas chargé (charge moins de 65%)……….…58
11. Impact de la taille des éléments…………….………………………………………59
i . Impact de la puissance du moteur électrique sur la consommation………59
12. Impact de la variation de la capacité de la batterie……………………………….60
13. Conclusion……………………………………………………………………………62
CONCLUSION GENERALE……………………………………………..…………….63
Résumé
Bibliographie
LISTE DE FIGURES
Chapitre I : GENERALITE SUR LES VEHICULES HYBRIDES
Figure I.1: Schéma de principe de l’architecture hybride parallèle
Figure I.2: Schéma de principe de l’architecture micro-hybride
Figure I.3: Schéma de principe de l’architecture hybride série
Figure I.4: Schéma de principe de l’architecture hybride combinée, type Prius
Figure I.5: Cycle NEDC : Vitesse véhicule (haut) et rapports de vitesse imposés (bas)
Figure I.6: Cycle Artémis : Vitesse véhicule (haut) et rapports de vitesse imposés (bas)
Chapitre II: MODELISATION NUMERIQUES& SIMULINK
Figure II.1: Méthodes de résolution des problèmes aux limites
Figure II.2 : interface MATLAB lancement SIMULINK
Figure II.3: les sources de signaux dans SIMULINK
Figure II.4 : Visualiser des signaux dans SIMULINK
Figure II.5 : lancement d’une simulation avec SIMULINK
Figure II.6 : micro modélisation d’un bloc fonctionnel avec SIMULINK
Figure II.7 : Exemple de modèle
Figure II.8 : affichage du résultat d’un scope sur SIMULINK
Figure II. 9 : Courbe de pression en fonction du volume de cylindre Légende
Figure II 10: Vues en coupe
Figure II.11:Le couple résistant de la charge entraînée doit permettre un démarrage
Figure II.12:couple moteurs à rotor bobiné
Figure II. 13: couple Freinage par contre courant
Figure II.14 : couplage des enroulement du moteur sur la tension continue .
Chapitre III : MODELISATION DES MOTEUR MCI ET ELECTRIQUE DU VEHICULE
Figure III.1: géométrie du model et du véhicule
Figure.III.2: couple moyen développé par le moteur durant la phase de démarrage
Figure. III.3: Représentation de la consommation spécifique du moteur thermique de la Partner
Figure. III.4: Représentation du couple maximal Tmax en fonction du régime we
Figure. III.5: Points de fonctionnement (régime/couple) du moteur thermique superposés à la
consommation spécifique.
Figure. III.6: Couples, vitesses et consommation de carburant
Figure. III.7: Points de fonctionnement (régime/couple) du moteur thermique en mode
conventionnel et en mode hybride à la consommation spécifique.
Figure. III.8: Couples, vitesses et consommation de carburant
Figure III. 9: (a) consommation en énergie au démarrage, (b) énergie consommer par la
batterie
Figure.III.10: couple de la eharge de la batterie en fonction du temp(cas de la vittes)>40k / h
Figure III.11: charge de la batterie dans le temps
Figure. III.12: Consommation de carburant en fonction de la puissance du moteur électrique.
Figure. III.13: Consommation de carburant en fonction du poids de la batterie
LIASTE DE TABLEU
TAB II 1 : caractéristique technique.
TAB III 1: Etude de l' impact de la puissance maximale du moteur électrique
INTRODUCTION GENERALE
Introduction générale
Introduction générale
Après un débat de plusieurs années sur la présence ou non–d'un réchauffement
climatique, la plupart des experts s'accordent à dire que la température de la terre augmente
bel et bien. Cette augmentation est directement liée aux gaz à effet de serre. Parmi les gaz
responsables de l'effet de serre, effet qui tend à conserver la chaleur issue des rayons du soleil,
le CO2 a vu sa concentration augmenter de 30% depuis 1750, tandis que le méthane a
augmenté de 150%. C'est pourtant le CO2 qui constitue le principal contributeur parmi les gaz
à effet de serre, celui-ci étant clairement lié aux activités humaines: ses émissions proviennent
à 90% de la combustion des énergies fossiles (produits pétroliers, charbon, Gaz naturel), et en
particulier à 34%du secteur des transports, qui reste le premier secteur en terme d’émissions
de gaz à effet de serre. Le CO2 n’est cependant pas un gaz polluant qui joue sur la qualité de
l’air : il contribue à l’effet de serre, mais n’est pas dangereux pour l’homme.
Dans le secteur des transports, la combustion des produits pétroliers dans les moteurs
à combustion rejette plusieurs gaz polluants, dont trois sont particulièrement nocifs pour
l’homme:
1. le monoxyde de carbone (CO):il réduit la capacité du sang à transporter l’oxygène. Il est
produit suite à une combustion incomplète du carburant généralement due à un manque
d’oxygène dans le mélange, ce phénomène touchant bien plus les moteurs à essence que les
moteurs Diesel.
2. les hydrocarbures imbrûlés (HC) : ils sont, pour certains d’entre eux, cancérigènes, et
apparaissent lors d’une combustion incomplète. Bénéficiant d’une combustion plus complète,
les moteurs Diesel sont encore les plus propres sur ce point.
3. les oxydes d’azote (NOx) : ces gaz réagissent dans l’atmosphère pour former du dioxyde
d’azotes générant troubles respiratoires, maux de tête et participant à la formation de smog,
d’ozone de surface et de pluies acides. Jusqu’à présent, les moteurs Diesel rejettent une
quantité de NOx environ sept fois supérieure aux motorisations essence.
Les particules rejetées par les moteurs thermiques sont aussi très nocives pour l’homme: elles
pénètrent dans les poumons, et peuvent provoquer de nombreuses maladies respiratoires et
cardiovasculaires. Principalement rejetées par les moteurs Diesel, elles sont en majeure partie
captées par les filtres à particules. Cependant, selon certaines études, ces derniers
parviendraient à supprimer effectivement une grande quantité de particules, mais relâcheraient
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
2
2
Introduction générale
en contrepartie des particules plus fines, qui rentreraient plus profondément dans les
poumons.
Afin de limiter les rejets de particules et de gaz nocifs des véhicules (contexte
climatique très préoccupant), des normes obligent les constructeurs à améliorer leurs
véhicules, en imposant des seuils maximaux d’émission de gaz polluants pour les véhicules
neufs.
Face à une volonté, de pouvoir disposer d’un moyen de transport écologique et qui ne
soit pas dépendant du pétrole, beaucoup croyaient aux véhicules électriques, qui ont pris un
véritable essor dans les années 90. Ces véhicules ne réussirent néanmoins pas à s’implanter
sur le marché, et à concurrencer les véhicules thermiques, et ce malgré
des atouts
indéniables: absence de pollution et d’émission locale à effet de serre, silence de
fonctionnement, indépendance vis-à-vis du pétrole, etc., le véhicule électrique souffrait de
trop grands maux: une autonomie de moins de100km, un temps de recharge de la batterie
trop long, un coût élevé du aux batteries, etc. La voiture électrique était, de plus, opposé eau
concept même de l’automobile.
Parallèlement à cet échec technique et commercial, les moteurs thermiques n’ont cessé
de se perfectionner. Ces améliorations ne permettront cependant que de converger
progressivement vers une consommation de carburant plus faible, mais pas de la diminuer
notablement. Dans ce contexte global, les véhicules hybrides représentent une solution à
moyen-terme ayant un fort potentiel pour la réduction de la consommation de carburant, des
émissions de CO2, et des rejets de polluants. [1]
Ce mémoire s’articulera autour de trois grands axes:
Le premier chapitre est un travail de recherche bibliographique portant sur la
description des différentes architectures hybrides et modes de fonctionnement, ici nous allons
poser le problème de la minimisation de la consommation de carburant, son fonctionnement et
ses différents organes. Les différents moteurs composant cette organisation ainsi que les
phénomènes de transfert d’énergie en particulier (électrique mais aussi cinétique et
thermique). Les apports du véhicule hybride, comparé aux véhicules traditionnels, serons
ensuite abordés. Le problème de la minimisation de la consommation de carburant est ensuite
déni sous la forme d’un problème d’optimisation et de commande. Les équations de ces
modèles serons exposer et traiter selon leurs applications avec conditions aux limites
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
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3
Introduction générale
associées. Nous avons présenté les termes de notre model et quelque supposition de
fonctionnement du système, cela a nous a permis de faire simulation d’un véhicule ordinaire
et le comportement du système.
Dans le deuxième chapitre nous avons étudié quelques méthodes et techniques de
simulation et de modélisation : les méthodes numériques, ici nous avons présenté l’outil de
simulation SIMULINK qui est une fonctionnalité de MATLAB utilisé dans notre travail pour
la résolution et l’optimisation de systèmes d’équations non linéaires et couplées, en particulier
le système d’équations de transfert de la chaleur, équation énergétique de moteur électrique
couplée à la décharge puis la recharge des batterie associer au système.
Le troisième chapitre présente la méthodologie de développement de notre modèle
numérique, afin d’étudier et de modéliser la variation de la charge des batteries, l’énergie
thermique dissiper et la nature du mode de propulsion utiliser sous ces conditions,
l’interaction de cette dernière avec le sens du courant étais le point le plus important sur le
quel nous nous somme baser pour cette optimisation . Les résultats de modélisation seront
présentés et interprétés dans ce chapitre.
Nous terminerons notre travail par une conclusion générale et les perspectives
éventuelles à la continuation de notre travail de recherche.
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
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4
CHAPITRE I
GENERALITE SUR LES VEHICULES
HYBRIDES
Chapitre I
Généralité sur les véhicules hybrides
1. Introduction
Un véhicule hybride possède deux sources d’énergies pour assurer sa propulsion. On
appelle donc hybride tout véhicule qui, en plus de sa source d’énergie primaire, dispose d’un
stockage réversible d’énergie sous une seconde forme (hydraulique avec réserve de pression,
cinétique avec volant d’inertie, électrique...). Dans la pratique, il s’agit essentiellement du
mariage de l’électrique et du thermique, mais cette solution est aussi utilisée pour les voitures
à hydrogène qui sont également des hybrides électrique-hydrogène. Le premier véhicule
hybride de série, la Toyota Prius sortie en 1997 (au Japon), a démontré les possibilités que
peuvent apporter le couplage de moteurs électriques alimentés par des batteries à une
motorisation traditionnelle.
2. Les différentes architectures hybrides
Par définition, un véhicule hybride est un véhicule dans le quel sont intégrées deux sources
d’énergie différentes, un moteur conventionnel (thermique) et un moteur électrique.
On définit communément trois familles d’architectures hybrides:

Les hybrides parallèles, pour lesquels le moteur thermique fournit directement un
couple aux roues,

Les hybrides séries, où le moteur thermique ‘est pas directement lié aux roues,

Les hybrides combinés, dont l’architecture reprend les caractéristiques des hybrides
série et parallèle.
Selon l’architecture choisie, le véhicule hybride peut exploiter plusieurs fonctionnalités qui
peuvent participer à la réduction de la consommation de carburant, ou à la récupération d’énergie
électrique. [2]
3. Les modes de fonctionnement: .[3]
a. Le Stop and Start Nommé aussi Stop- and-Go ou Stop Start selon les
constructeurs, ce système permet au moteur thermique d’être démarré
rapidement, et sans vibration, après un arrêt de courte durée. Cette
fonctionnalité est en particulier destinée à être utilisée lors d’arrêt aux feux
rouges, ou bien dans des embouteillages. Le gain apporté par ce système
provient de la disparition de la consommation de carburant au ralenti, lors que
le moteur thermique n’est pas utilisé pendant plusieurs secondes. En
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
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6
Chapitre I
Généralité sur les véhicules hybrides
contrepartie, une faible quantité d’énergie électrique est utilisée à chaque
démarrage pour ramener le moteur à son régime de ralenti.
b. Le mode régénération Dans ce mode, le moteur électrique fournit un couple
négatif, le moteur thermique fournissant alors un couple supérieur au couple
de consigne (de mandé par le conducteur). L’énergie provenant du moteur
électrique est ensuite stockée dans les batteries,
afin d’être réutilise-se
ultérieurement.
c. Le mode freinage récupératif Il s’agit du fonctionnement d’un moteur
électrique utilisé pour fournir un couple résistant, dans le but de récupérer
l’énergie cinétique du véhicule sous la forme d une Energie électrique, qui est
en suite stockée.
d. Le mode boost Le mode boost correspond à une
assistance du moteur
thermique par le moteur électrique, celui-ci développant un couple positif
conjointement au moteur thermique. Ce mode peut être actionné pour
décharger le moteur thermique afin de placer celui-ci sur un point de
fonctionnement de meilleure efficacité. Il peut aussi être utilisé lors d une
importante de mande de couple, lorsque le moteur thermique développe un
couple insuffisant par rapport au couple de consigne.
e. Le mode alternateur. Le mode alternateur correspond au fonctionnement
classique d’un alternateur que l’on trouve sur chaque véhicule. Au lieu
d'’imposer un couple au moteur électrique, on impose Une consigne de tension
aux bornes de la batterie(ou aux bornes de la super capacité), le moteur
électrique se chargeant ensuite de réguler cette tension. Ce mode n’est pas
optimal d’un point de vue énergétique, puisqu'il est utilisé, sur les véhicules
traditionnels, quel que soit le point de fonctionnement du moteur thermique,
même lorsque celui-ci est au ralenti.
f. Le mode thermique pur Il s'agit du mode classique durant lequel le moteur
électrique n'est pas utilisé. Ce mode peut être utilisé pour des raisons de
rendement (par exemple, lors d'un trajet sur autoroute, pour lequel le moteur
thermique est utilisé à un bon rendement), ou bien parce que la batterie est
déchargée.
g. Le mode électrique pur Il s’agit du mode pour lequel le moteur thermique est
arrêté. Dans ce mode, les conséquences directes sont l’absence de bruit,
l’absence de rejet de polluants ("zéro émission"), et une consommation de
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
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7
Chapitre I
Généralité sur les véhicules hybrides
carburant nulle. La durée durant laquelle ce mode pourra être actif dépend de
la capacité de la batterie. Si celle-ci est faible, ce mode pourra être activé
durant quelques minutes tout au plus, le moteur thermique devant alors être
rallumé pour ramener la batterie à un état de charge correct.
4. Types d’architectures : [4]
a. Architecture parallèle
Dans la configuration parallèle, les moteurs thermique et électrique sont tout deux
directement connectés à la transmission, donc aux roues. Les deux moteurs peuvent participer
d’une façon parallèle au déplacement du véhicule, en transmettant chacun une puissance
mécanique aux roues. Sur la Figure 1.1 est représenté le schéma de principe de l’architecture
parallèle, ainsi que les transferts D’énergie possibles entre les différents organes. La
configuration générale de cette architecture est composée du moteur thermique, d’un moteur
électrique, de la batterie, d’un inverseur (non représenté), et d’une transmission (boîte de
vitesse et embrayage). Sur ce schéma n’ont pas été représentés le démarreur et l’alternateur,
ceux-ci étant des éléments présents sur la quasi-totalité des véhicules en circulation.
L’emplacement du moteur électrique peut être différent : celui-ci peut être situé au niveau des
roues avant, ou bien en liaison avec le train arrière, pour obtenir alors un véhicule à quatre
roues motrices.
Une architecture hybride parallèle est complexe à contrôler, et demande un travail
supplémentaire pour l’intégration physique des sources de puissance. En effet, sur
l’architecture hybride parallèle, les deux sources de couple (moteur thermique et moteur
électrique) sont directement reliées au train moteur, la consigne de couple devant donc être
répartie à chaque instant entre les deux sources de couple. Néanmoins, des gains non
négligeables peuvent être obtenus, même en utilisant des composants électriques de faible
puissance et de faible capacité. Aussi, ces gains permettent de compenser le surcoût de cette
architecture et le surpoids lié aux batteries et au moteur électrique.
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
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8
Chapitre I
Généralité sur les véhicules hybrides
Figure. I.1: Schéma de principe de l’architecture hybride parallèle. [5]
b. Architecture micro-hybride
L’architecture micro-hybride correspond à une version allégée de l’hybride parallèle,
pour laquelle le moteur électrique reste constamment mécaniquement lié au moteur
thermique. La liaison pourra s’effectuer de diverses manières : par engrenage, ou bien par
courroie. La Figure 1.2 représente l’architecture micro-hybride, composée d’un moteur
thermique et d’un moteur électrique en liaison directe avec le moteur thermique.
C’est en fait la forme la plus simple des différentes architectures hybrides, puisque les
véhicules micro-hybrides sont essentiellement des véhicules conventionnels équipés d’un
alterno-démarreur, permettant notamment de profiter du Stop-and-Start et éventuellement du
freinage récupératif. Si les gains que l’on peut obtenir sont les plus faibles parmi toutes les
architectures (ils ne dépassent guère 10%), c’est aussi celle dont l’implantation des organes
dans le véhicule, tels que la batterie et le moteur électrique, est la plus simple.
Les inconvénients majeurs de cette architecture résident dans sa définition même : il
n’est pas possible d’utiliser le moteur électrique seul pour la propulsion du véhicule,
notamment à faible charge lorsque l’efficacité du moteur thermique est faible. De plus,
l’énergie qui peut être obtenue lors d’un freinage récupératif sera amputée par le couple de
frottement du moteur thermique (pertes par pompage et frottements moteur), puisque le
moteur thermique ne peut être désaccouplé du moteur électrique, ce qui réduit la quantité
d’énergie récupérable.
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
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9
Chapitre I
Généralité sur les véhicules hybrides
Figure. I.2: Schéma de principe de l’architecture micro-hybride. [5]
c. Architecture série :
Dans l’architecture série, seul le moteur électrique est connecté directement aux roues
et leur transmet un couple. Le moteur électrique est donc dimensionné pour pouvoir assurer
seul la traction du véhicule, selon la demande de couple du conducteur.
La Figure 1.3 schématise le fonctionnement d’un véhicule hybride série. Le moteur
électrique est alimenté soit par des batteries, soit par une génératrice entraînée par le moteur
thermique, soit par un mélange des deux. Cette configuration permet à la batterie d’être
rechargée soit :

par le moteur thermique, via la génératrice. Dans ce cas, le moteur thermique est
contrôlé de manière à fonctionner à son rendement optimum.

par le moteur électrique, qui sera alors utilisé en mode générateur, lors d’un freinage
récupératif.
L’intérêt de cette architecture réside dans la capacité à pouvoir faire fonctionner le
moteur thermique au point de fonctionnement souhaité, quelles que soient les conditions
extérieures telles que la vitesse du véhicule ou la demande de couple, puisque le moteur
thermique est complètement déconnecté du train moteur. En revanche, l’énergie mécanique
produite par le moteur thermique est ensuite transformée en énergie électrique via la
génératrice, puis à nouveau transformée en énergie mécanique par le moteur électrique. Ainsi,
la cascade de rendement du train moteur est assez défavorable à la réduction de l’énergie
consommée, c’est pour cette raison que les véhicules hybrides série dépassent rarement le
stade du prototype.
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Chapitre I
Généralité sur les véhicules hybrides
Figure. I.3: Schéma de principe de l’architecture hybride série. [5]
d. Architecture combinée
La catégorie des architectures combinées correspond aux hybrides série/parallèle,
appelée aussi hybride parallèle à dérivation de puissance, cette architecture intègre un moteur
électrique, une génératrice, et un moteur thermique. Grâce à une gestion efficace des
puissances demandées d’un coté, et fournies de l’autre, il est possible de contrôler en régime
le moteur thermique, et de partager son couple entre les demandes du véhicule, et la recharge
de la batterie. La Figure 1.4 schématise le fonctionnement d’un hybride combiné.
Figure. I.4: Schéma de principe de l’architecture hybride combinée, type Prius. [5]
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
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Chapitre I
Généralité sur les véhicules hybrides
e. Autres architectures
On trouve quelques autres architectures, qui restent souvent au stade de prototypes,
mais dont le potentiel est intéressant.

Architecture de type parallèle, avec moteurs dans les roues. Plusieurs
constructeurs ont déjà présenté des prototypes de véhicules hybrides dont deux
moteurs électriques, ou davantage, sont localisés dans les roues. D’un point de
vue énergétique, cette solution est idéale, puisque les moteurs sont situés au
plus près du point de transmission finale de la puissance, qui se trouve au
niveau du point de contact entre le pneu et la route. Notamment, cet
emplacement permet d’éviter de subir les rendements des transmissions, qui
réduisent sensiblement l’énergie récupérable. Par miles autres intérêts de cette
architecture, chaque roue peut être contrôlée indépendamment les unes des
autres, ce qui peut être intéressant pour l’utilisation de l’ESP (Électronique
Stabilité Program, système de stabilisation du véhicule en courbe, agissant sur
les systèmes de freinages pour corriger la trajectoire du véhicule).

Les architectures hébergeant plusieurs trains épicycloïdaux, permettant une
variation continue des rapports.
5. La problématique de contrôle optimal
Sur un véhicule à motorisation traditionnelle, le couple fourni par le moteur thermique
dépend au premier ordre de la quantité de carburant injectée. Certains actionneurs influent eux
aussi sur le couple fourni par le moteur thermique (l’avance à l’allumage, dans le cas des
moteurs à allumage commandé, les angles d’ouverture et de fermeture des soupapes), mais
restent davantage utilisés pour limiter les fumées et les rejets de polluants.
Sur les véhicules hybrides, la présence d’un ou de plusieurs moteurs électriques amène
plusieurs de grés de liberté dans la façon dont une consigne de couple, demandée par le
conducteur, peut être réalisée. Ces degrés de liberté peuvent être utilisés pour remplir
différents objectifs, parfois complémentaires :

La minimisation de la consommation de carburant, et par là même des émissions de
CO2, en utilisant de manière adéquate le(s) moteur(s) électrique(s). Intuitivement,
c.est lorsque l’efficacité du moteur thermique est faible que le moteur électrique
pourrait prendre sa place.
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
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12
Chapitre I

Généralité sur les véhicules hybrides
La réduction des rejets de polluants (CO, NOx, HC). Ces derniers peuvent être
diminués en optimisant la répartition de couple des différents moteurs, mais surtout
en réduisant la durée de montée en température du catalyseur sur moteur essence, un
catalyseur étant inefficace tant qu’il n’a pas atteint sa température idéale.

L’absence des émissions de polluants et de la consommation de carburant, obtenue
par l’arrêt du moteur thermique grâce à l’utilisation du mode électrique pur. Le bruit
du véhicule est alors grandement réduit, et limité au seul bruit de roulement des pneus
sur la route. Très intéressant dans les centres-villes, la durée d’utilisation de ce mode
est néanmoins limitée par la capacité de la batterie .Parmi ces possibilités, la
réduction du bruit ne donne pas lieu à la résolution d’un problème de contrôle, le
mode purement électrique pouvant être actionné directement par le conducteur. Ce
mode peut aussi être une conséquence de la loi de gestion d’énergie.
La réduction du temps de montée en température du catalyseur peut être obtenue
simplement en augmentant le couple du moteur thermique durant les premières secondes de
fonctionnement, a n d’augmenter la température des gaz d’échappement.
La réduction de la consommation, quant à elle, représente une vraie difficulté : on doit
en effet choisir quand et de quelle façon utiliser le moteur électrique, et s’assurer que la
batterie (ou tout autre système de stockage) garde un état de charge suffisant tout au long du
cycle. Ce problème de gestion efficace des sources d’énergie peut s’écrire comme un
problème d’optimisation. On distinguera alors deux problèmes différents : la minimisation de
la consommation sur cycle, et la minimisation de la consommation en temps-réel.
6. Minimisation de la consommation de carburant sur cycle normalisé [7]
L’intérêt principal d’un véhicule hybride provient de sa capacité à pouvoir consommer
moins de carburant, comparé à un véhicule équivalent équipé seulement d’un moteur
thermique. Cette possibilité existe grâce à la présence de deux sources d’énergie distinctes,
ces deux sources possédant chacune une zone d’efficacité maximale qui leur est propre.
De plus, le véhicule hybride peut pro ter d.une partie de l’énergie cinétique du
véhicule lors d’un freinage récupératif, lui permettant de récupérer une certaine quantité
d’énergie gratuite et de la stocker, celle-ci étant normalement dissipée par effet Joule dans le
système de freinage.
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
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Chapitre I
Généralité sur les véhicules hybrides
La détermination de la consommation de carburant d’un véhicule s’effectue sur un
cycle de conduit Le conducteur du véhicule doit suivre une consigne de vitesse, donnée en
fonction du temps, les rapports de la boîte de vitesse étant en général imposés le long du cycle
(lorsque le véhicule est équipé d.une boîte mécanique). L’évaluation de la consommation de
carburant, et des rejets de polluants permet ensuite de pouvoir comparer ces résultats avec
ceux d’autres véhicules ayant suivi le même cycle.
Dans ce mémoire, on utilisera un cycle de référence, le cycle NEDC : New European
Driving Cycle. Il est constitué de 4 séquences répétées du cycle ECE-15, constituant la partie
urbaine, puis d.une partie extra-urbaine à l’aide d.une séquence du cycle EUDC (Extra-Urban
Driving
Cycle).
La
Figure
1.5
représente
l’allure
du
cycle
NEDC.
Figure. I.5: Cycle NEDC : Vitesse véhicule (haut) et rapports de vitesse imposés (bas).
Le cycle NEDC se distingue du cycle MVEG (dont la consigne de vitesse est
identique) par ses conditions initiales au départ du cycle : le cycle NEDC nécessite que le
véhicule démarre à froid, sans que le moteur ait été démarré au préalable. Cette condition est
très importante, étant donné que les véhicules actuels polluent le plus lors des premières
secondes qui suivent la mise en route du moteur thermique, d.une part à cause de la mauvaise
combustion due à une température trop basse, et d’autre part à cause du délai nécessaire à
l’amorçage du catalyseur sur véhicule à allumage commandé.
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
14
14
Chapitre I
Généralité sur les véhicules hybrides
Ce cycle est directement utilisé pour l’homologation des véhicules aux normes Euro 4,
et à partir de septembre 2009, aux normes Euro 5. Il constitue donc un passage obligatoire
pour l’évaluation de la consommation de carburant. Cependant ce cycle est peu représentatif
d’un trajet urbain. Ainsi, on considérera aussi dans ce mémoire le cycle Artemis urbain (voir
[André, 2004]), correspondant à cycle de conduite réelle, donc bien plus représentatif d’un
fonctionnement classique du véhicule.
Figure I.6: Cycle Artemis : Vitesse véhicule (haut) et rapports de vitesse imposés (bas).
La minimisation de la consommation de carburant sur cycle nécessite de connaître les
efficacités des différentes sources d’énergies du véhicule. Pour cela, on fait donc appel à des
modèles physiques, ou bien à des cartographies. Dans le cadre de l’évaluation et de la
minimisation de la consommation de carburant de véhicules hybrides, ces derniers doivent
remplir une condition supplémentaire : les états de charge des éléments de stockage d’énergie
électrique (des batteries en général), mesurés au début et à la n du cycle, doivent être
sensiblement égaux. Cette condition assure d’avoir une balance énergétique nulle au niveau
du stockage de l’énergie électrique, c.est à dire d’avoir une consommation globale qui ne
provienne que de l’énergie contenue dans le carburant.
Ce problème de minimisation peut être vu comme un problème de contrôle optimal :
déterminer quelle est la consommation minimale de carburant d’un véhicule hybride, sous la
contrainte de fonctionnement du système électrique. La condition qui impose d’avoir un état
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
15
15
Chapitre I
Généralité sur les véhicules hybrides
de charge final proche de l’état de charge initial peut s’écrire comme une contrainte sur la
valeur finale de l’état de charge, l’état de charge initial étant alors lui aussi fixé.
7. Problème en temps-réel où le futur n’est pas connu : [8]
S’il est possible de connaître la loi de commande optimale sur un cycle donné en
résolvant directement le problème d’optimisation, il n.est pas possible d’appliquer les mêmes
techniques pour la loi de gestion d’énergie temps-réel.
Sur cycle connu, la commande optimale déterminée après optimisation tient compte
. à chaque instant t . de ce que se passe entre l’instant t et la n du cycle : si un grand freinage
survient à la n du cycle, la commande optimale choisira de consommer de l’énergie électrique
en utilisant le moteur électrique, ayant la connaissance du freinage final durant lequel le
freinage récupératif pourra être activé.
Sur une utilisation en temps-réel, le trajet que suivra le conducteur n.est pas connu à
l’avance (si l’on exclut toute information qui pourrait être obtenue par un GPS, par exemple).
Ainsi, il n.est pas possible de déterminer une loi de commande qui soit optimale d’un point de
vue global, et qui nous assure d’obtenir un bilan batterie nul à la n d’un trajet. On parle alors
de loi sous- optimale.
8. Définition des classes de problèmes d’optimisation étudiés [9]
Le problème d’optimisation correspond à la minimisation de la consommation de
carburant d’un véhicule hybride sur un cycle connu à l’avance, tout en ayant une balance
énergétique nulle au niveau de la batterie entre le début et la n du cycle. Ce problème peut
donc être vu comme un problème de commande optimale. Il s’agit à partir d’un état initial
fixé, d’atteindre un certain état final, tout en minimisant un critère.
Le système dynamique considéré dans ce problème de commande optimale est la
batterie qui fournit L’énergie nécessaire au moteur électrique. L’état de charge de la batterie,
noté x, constitue donc la variable D’état de ce problème de commande optimale. La
consommation instantanée de carburant est notée L, et la commande définissant la répartition
de couple (ou de puissance) entre les moteurs électrique et thermique est notée u. On
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
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16
Chapitre I
Généralité sur les véhicules hybrides
considère aussi des contraintes de bornes sur la commande u, notées u min et u max dues aux
saturations des actionneurs ; les contraintes de bornes sur la variable d’état du système
dynamique sont quant à elles notées x min et x max.
Les classes de problèmes de contrôle optimal qui sont étudiés dans ce mémoire sont dé
nies ci-après.
9.
Conclusion :
Les véhicules hybrides, s’ils sont très intéressants dans la problématique actuelle de
réduction de la consommation de carburant et des émissions de polluants, nécessitent aussi
d’avoir un contrôle adapté, d’une par taux objectifs à atteindre, et d’autre part à leur
architecture. Le contrôle d’un véhicule hybride est en effet assez différent de celui d’un
véhicule traditionnel, dans le sens où, celui-ci disposant de deux sources d’énergie, un
contrôleur "de niveau" doit déterminer quelle est la puissance que doit fournir chacun des
moteurs. Le contrôle d’un véhicule hybride doit donc être adapté à son architecture et à ses
fonctionnalités (possibilité é de récupérer de l’énergie au freinage, de couper le moteur
thermique, utilisant le moteur électrique pour la traction, etc.).
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
17
17
CHAPITRE II
MODELISATION NUMERIQUES
& SIMULINK
Chapitre II
modélisation numérique & SIMULINK
Première partie SIMULINK
1. Introduction :
Depuis plusieurs années maintenant, la simulation numérique nous a permit d’aboutir
à l’amélioration des performances, de la durée de vie et des coûts des produit, ainsi qu’une
meilleure appréhension des phénomènes physiques. SIMULINK essaye d'avoir le meilleur
compromis réalisme physique / temps de calcul, cette méthode de travail nous permet de
simplifier les équations et combinaisons d’équations complexe en blocs fonctionnels très
maniables et plus important encore d’introduire la multi-physique, cela nous permet ainsi de
créer des modèles spécifique a nos besoins, les enregistré dans la bibliothèque et les utilisés
pas la suite.
Nous commencerons ce chapitre par une présentation de
l’outil de simulation
SIMULINK de MATLAB employé dans notre étude, ainsi que les différentes étapes de
modélisation des problèmes physiques, et la résolution des différentes équations, nous
présenterons par la suite une modélisation des différentes étapes de fonctionnement d’un
moteur MCI, traduire ce fonctionnement a été un point très important de notre étude,
introduire ce model dans SIMULINK est la prochaine étape.
2. Position du Problème [10]
La résolution d’un problème aux dérivées partielles (par exemple un système
d’équations différentielles) passe par plusieurs étapes.
La première consiste à déterminer les conditions aux limites du problème à résoudre, ensuite
viens l’étape de la résolution qui se fait soit par des méthodes analytiques ou par des
méthodes numériques. La discrétisation du domaine est une étape très importante, à prendre
en considération lors de la résolution du problème. En présentant brièvement SIMULINK
nous allons expliquer comment notre logiciel parvient a modélisé des phénomènes physique
en équations ( principalement des équations aux dérivées partielles), et pour résoudre des
équation au dérivée partielles quelles que méthodes sont représenté dans la figure suivante.
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
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19
Chapitre II
modélisation numérique & SIMULINK
Figure II.1.Méthodes de résolution des problèmes aux limites
.
3. Présentation de SIMULINK: [10]
Dans les dernières années, SIMULINK est devenu l'application la plus largement utilisée
dans le milieu universitaire et industriel pour modéliser et simuler des systèmes dynamiques.
Nous pouvons construire facilement des modèles à partir de rien, ou prendre l’un des
modèles existants et le modifier. Les simulations sont interactives, donc nous pouvons
changer les paramètres pendant la simulation et voir, immédiatement, ce qui se passe. Nous
avons l'accès à tous les outils d'analyse dans MA TLAB, donc nous pouvons visualiser les
résultats et les analyser.
Avec SIMULINK, nous pouvons aller au-delà des modèles linéaires et idéals, les modèles
non linéaires plus réalistes est la vrais exploitation des fonctionnalités de SIMULINK, par
exemple l’étude du mouvement d’un véhicule tout en tenant compte des contraintes qui altère
la bonne progression de notre véhicule ; frottements, résistance de l'air, glissement, freinage
brutal et tout ce qui peut décrir un peu mieux les phénomènes réels.
SJMULINK est une application servant à modéliser, simuler et analyser des systèmes
dynamiques. Il prend en charge les systèmes linéaires ou non linéaires. Nous pouvant suivre
cette modélisation continuellement dans le temps, ou juste partiellement.
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
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20
Chapitre II
modélisation numérique & SIMULINK
Pour la modélisation, SIMULlNK met à notre disposition une interface graphique afin
de construire des modèles sous forme de diagrammes bloc. Avec cette Interface, nous
pouvons dessiner des modèles avec seulement un clique et en suite faisant glisser le bloc avec
la souris. SIMULINK est de loin l'une des applications les plus maniables pour la simulation
que ses prédécesseurs qui exigent que nous formulions les équations différentielles et les
équations aux dérivées partielles dans un langage ou un programme.
SIMULINK contient des bibliothèques de blocs complètes:

Continuous Blocs;

Discrete Blocs;

Function and tables Blocs;

Math ;

Sources ;

Non linear blocs

Sigll.t1S and systems;

Sinks ;

Sources, etc.
4. Construction d’un diagramme SIMULINK
Les modèles sont hiérarchiques, donc nous pouvons construire des modèles en
utilisant soit l'approche descendantes ou l'approche ascendante. Si nous regardons le système
à un haut niveau, nous pouvons alors cliquez deux fois sur les blocs pour descendre à travers
les niveaux afin de voir les détails du modèle. Cette approche fournit la perspicacité dans la
façon dont un J110dèk est organisé ct comment ses parties interagissent. Nous pouvons aussi
personnaliser en créant nos propres blocs.
Pour commencer dans le menu File, nous choisissons New puis Model. Une fenêtre de
travail « Untitlcd» s'ouvrira.
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
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21
Chapitre II
modélisation numérique & SIMULINK
a.
Lancer le logiciel / Ouvrir un fichier :
Figure II.2 . interface MATLAB lancement SIMULINK
b. Sources de signaux :
Figure II.3. les sources de signaux dans SIMULINK
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
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22
Chapitre II
modélisation numérique & SIMULINK
Elles permettent de générer une information constante ou variable.

Placer la source sur la fenêtre contenant le modèle par "glisser-déposer" et la
connecter au point "d'entrée" du modèle.

Régler les propriétés de la source. Double cliquer sur la source pour les ouvrir
c. Visualiser des signaux :
Pour visualiser la valeur (ou l'évolution) des informations présentes en différents "points" du
modèle, on utilise en général des dispositifs de visualisation (ou "Sinks" dans le vocabulaire
SIMULINK)
Comme pour les "sources de signaux" leur utilisation se fait en 2 étapes :

Placer le dispositif de visualisation sur la fenêtre contenant le modèle, par "glisser /
déposer" et connecter sa (ou son) entrée(s) au(x) points du modèle où l'on désire
visualiser l'information.

Paramétrer (cela n'est pas toujours indispensable) le dispositif de visualisation
Figure II.4 .Visualiser des signaux dans SIMULINK
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
23
23
Chapitre II
modélisation numérique & SIMULINK
d. Simuler :
Pour effectuer une simulation il suffit en général de :

Saisir la durée totale de la simulation (en seconde) (C)

Lancer la simulation (Une barre indique alors la progression) (B)
Dans le cas ou le tracé apparait sous forme de petits segments de droites il faut réduire le pas
de simulation maximal (Max step size). (A)
Pour cela : Menu "Simulation"  "Configuration parameters"
Figure II.5 . lancement d’une simulation avec SIMULINK
e. Modéliser (Bases…) :
En général quand on veut modéliser un système, on commence par le décomposer en
différents blocs (Diagramme de blocs internes en méthode SYSML, diagramme FAST,
Analyse fonctionnelle, …), ensuite on doit établir les relations mathématiques liant les sorties
et les entrées de chacun des blocs. On termine en construisant le schéma bloc modélisant le
fonctionnement du système. D'ailleurs il y a bien souvent plusieurs façons de le concevoir :
Pour alléger le schéma du modèle, il est aussi fréquent de "cacher" le modèle d'un sous
ensemble dans un bloc "Subsystem" ( ou
sous système). Quand l'intérieur du bloc est
"accessible", il suffit d'effectuer un double-clic sur le bloc pour faire apparaitre l'intérieur.
Dans le cas contraire se sera une fenêtre de paramétrage du bloc qui apparaitra.
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
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24
Chapitre II
modélisation numérique & SIMULINK
Figure II.6 . micro modélisation d’un bloc fonctionnel avec SIMULINK
f. Display (ou afficheur)
Il affiche la valeur numérique de l'information.
Quelques modes :
Short (par défaut) : Affichage en décimal
Hex : Affichage en Hexadécimal (Base 16)
Binary : Affichage en binaire
Scope (ou oscilloscope) Il trace l'évolution temporelle de l’information.
Figure II.7 . Exemple de modèle
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
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25
Chapitre II
modélisation numérique & SIMULINK
Quand la simulation est terminée, un double-clic sur le "Scope" fait apparaitre le tracé
de l'évolution :
Figure II.8 . affichage du résultat d’un scope sur SIMULINK
En général l'échelle n'est pas très adaptée (Par exemple ici on a du mal à interpréter la courbe
pour les valeurs minimales et maximales) Il faut donc modifier l'échelle et sélectionner les propriétés
des axes
Deuxième partie la modélisation
1. Etude thermodynamique du moteur MCI: [11]
Le cycle de fonctionnement réel d'un moteur diesel peut être assimilé à un cycle
théorique mixte. Dans le cycle réel, l'air, après son admission dans le cylindre et sa
compression poly tropique connaît une transformation chimique avec le combustible. Cette
combustion fournit une quantité de chaleur. Cette transformation chimique s'opère suivant:

une partie à volume constant.

une partie à pression presque constante.
Elle se prolonge par une détente poly tropique et se termine par l'échappement des produits de
combustion. Le cycle recommence avec l'admission d'air qui retrouve dans la chambre de
combustion les gaz résiduels.
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
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Chapitre II
modélisation numérique & SIMULINK
2. Les données de base du moteur: [12]
Elles sont données parla liste suivante utile à l'analyse thermodynamique:
Type de moteur

Taux de compression
ε

Taux de remplissage
ηv

Coefficient de consommation d'air
α

Température atmosphérique
T0

Pression atmosphérique
P0

Température de la charge fraîche
T'0

Température des gaz résiduels
Tr

Pression des gaz résiduels
Pr

Exposant moyen poly tropique de compression
n1

Exposant moyen poly tropique de détente
n2
Le taux de compression ε est une caractéristique géométrique du moteur car
vd=vc(ε-1)
ε=1+
vd
vc
=
vc +vd
vc
(II.1)
Le taux de remplissage ηv est le rapport entre le volume aspiré et le vo1ume déplacé
pendant la compression. Le coefficient de consommation d'air α ou encore appelé la richesse
est le coefficient qui spécifie les proportions du mélange air et combustible, La température
atmosphérique T0 correspond à la température ambiante. La pression atmosphérique P0 est la
pression qui règne dans le milieu extérieur. La température de la charge fraiche T'0 est la
température du combustible en tenant compte de la réchauffe. La température des gaz
résiduels Tr est la température des produits de combustion pendant le temps échappement. La
pression des gaz résiduels pr est la pression qui règne encore dans le cylindre à la fin du
temps échappement.
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
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27
Chapitre II
modélisation numérique & SIMULINK
3. Les paramètres du moteur: [12]
P(bar)
z' n z
f
C''
C
C'
b
a
V (cm3)
Figure .II. 9 .Courbe de pression en fonction du volume de cylindre Légende
- a : début compression et tin admission.
- b : fin détente el début échappement.
- z : fin combustion
- z' : début combustion
- n : crête de la combustion et au milieu du segment zz'
- C : fin compression de la courbe théorique
- C' : intersection de la courbe de compression théorique et Je compression raffinée
- C'' : fin compression de la courbe raffinée
4. Paramètre du temps d'admission [12]
Pa =
𝑃0 (ε−1)T′0 +Pr T0
𝑇𝑎 =
𝜀 𝑇0
𝜂𝑣
𝜀𝑃𝑎
(II.2)
𝑇0
𝑇
𝜂𝑣 (𝜀−1)𝑃0 + 0 𝑃𝑟
(II.3)
𝑇𝑎 =15℃ → 𝑇𝑎 = (273.15 + 15)𝐾 𝑒𝑡 𝑇𝑎′ = 𝑇𝑎
(II.4)
𝑇𝑟
Avec :
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
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28
Chapitre II
modélisation numérique & SIMULINK
Dans la conception des moteurs. la température T est prise la plus faible possible sinon
le moteur aura des problèmes pour démarrer a froid.
La pression atmosphérique est souvent prise approximativement à l’attitude de la
valeur de
𝑃𝑎 = 1 bar
5. Paramètre du temps de compression: [12]
La compression est poly tropique d'où:
Pc= Pa εn-1
(II.5)
TC= Ta 𝜀 𝑛1 −1
(II.6)
Avec
𝑛1 exposant moyen poly tropique de compression La charge fraîche admise
1
8
L0= 0,23 (3 𝐶 + 8 𝐻2 − 𝑂2 ) 𝑒𝑛 𝑘𝑔
(II.7)
Ou' C,H2 et O2 contenu en poids respectivement en carbone .hydrogène oxygène dans 1kg
combustible
Pour le gasoil: C = 0.86, H2=0,13 et O2=0.01
𝐿′
L=290 𝑒𝑛 𝐾𝑚𝑜𝑙𝑒
(II.8)
La quantité d'air nécessaire à la combustion d'un kg de combustible L=α L0 en k mole
La quantité des gaz résiduels
Pendant la compression, à part la charge fraiche .il y' a aussi les gaz résiduels des produits de
combustion qui n'ont pas été évacués lors de la phase échappement Mg= 𝛾 𝛼 𝐿0 𝑒𝑛 𝑘𝑚𝑜𝑙𝑒
Ou' le coefficient des gaz résiduels
γ=
𝑃𝑟 𝑇0
(II.9)
𝑃𝑎 𝑇𝑟 𝜂𝑟 (𝜀−1)
La quantité totale des gaz dons le evlindre en fin de compression
Mr=L+ Mr=(1+γ) α L0 en k mole
(II.10)
6. Paramètre du temps combustion [12]
La quantité des produits de combustion de 1kg de combustible pour le moteur (α> 1)
H
O
M= α L0+ 42 + 322 en kmol
(II.11)
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
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29
Chapitre II
modélisation numérique & SIMULINK
La quantité des gaz a' la fin de la combustion c'est a' dire au point
Mr=M+Mg en k mole
(II.12)
Le coefficient de variation de molécules est défini par
M
μ =M z
(II.13)
C
7. Paramètre du temps détente
[𝟏𝟐]
Coefficient de détente:
δ=
ε
(II.14)
ρ
La pression à la fin de détente est:
Pb =
Pz
(II.15)
δn2
La température à la fin de la détente est:
Tb =
δ
Tz
n2 −1
(k°)
(II.16)
Avec n2 exposant moyen poly tropique de détente
Le volume du cylindre est fonction de l'angle de vilebrequin et est donné par la
formule suivante:
Volume cylindre=Surface de base x Hauteur
Le volume occupé pur le gaz dans le cylindre est égal ml volume mort auquel nous
ajoutons le volume balayé par [-e piston. Ce qui induit la formule suivante:
𝜋𝐷 2
𝑉(𝜃) = 𝑉𝐶 + (
4
) × (𝑅 + 𝐿 − 𝑅 cos 𝜃 − √𝐿2 − 𝑅 2 sin2 𝜃)
(II.17)
Vc : volume mort (clearance volume)
πD²/4 : surface de base
(𝑅 + 𝐿 − 𝑅 cos 𝜃 − √𝐿2 − 𝑅 2 sin2 𝜃) : Hauteur
(II.18)
La pression lors des deux transformations polytropiques de compression et de détente
peut être exprimée ainsi ;
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
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30
Chapitre II
modélisation numérique & SIMULINK
𝑃(𝜃) =
𝑃(𝑉𝐶 +𝑉𝑑 )
𝑉(𝜃)
)
𝑉𝐶 +𝑉𝑑
(II.19)
(
Vc : volume mort
Vd : volume du cylindre déplacé.
P(Vc+Vd) : pression à la fin de l'admission Pa pour la compression polytropique ou à la tin
de la détente Pb pour la détente polytropique.
n : exposant polytropique. Lors de la compression, n prend la valeur moyenne n1 et lors de la
détente la valeur moyenne n2.
Le moteur asynchrone est de beaucoup le moteur le plus utilisé dans l’ensemble des
applications industrielles, du fait de sa facilité de mise en oeuvre, de son faible
encombrement, de son bon rendement et de son excellente fiabilité. Son seul point noir est
l’énergie réactive, toujours consommée pour magnétiser l’entrefer. Les machines triphasées,
alimentées directement sur le réseau, représentent la grande majorité des applications ;
supplantant les machines monophasées aux performances bien moindres et au couple de
démarrage nul sans artifice. Les caractéristiques de courant absorbé et de couple de cette
machine sont bien connues (voir courbes types cijoint). Elles font apparaître très clairement
une pointe d’intensité de 5 à 10 fois In ainsi qu’un à-coup de couple au démarrage. La pointe
d’intensité est nuisible pour le réseau d’alimentation et il sera quelquefois nécessaire de la
réduire. L’à-coup de couple est gênant pour la mécanique entraînée il peut même avoir des
conséquences destructives.
8. Etude du moteur électrique :
Nous allons étudier ici un seul type de moteur électrique est qui est les machines
asynchrones, ce genre de machine étant le mieux adapter a une application comme la notre,
nous allons expliquer dans ce qui suite notre choix. Nous allons utiliser l’appellation machine
au lieu de moteur, qui est plus précise car dans notre cas la machine fonctionne en moteur et
en génératrice
a. Machine électrique asynchrones :
Une machine asynchrone est constituée des principaux éléments suivants :
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
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31
Chapitre II

modélisation numérique & SIMULINK
le stator (partie fixe) constitué de disques en tôle magnétique portant les enroulements
chargés de magnétiser l’entrefer.

Le rotor (partie tournante) constitué de disques en tôle magnétique empilés sur l’arbre
de la machine portant un enroulement bobiné ou injecté.

les organes mécaniques permettant la rotation du rotor et le maintien des différents
sous-ensembles
i.
Stator [13]
Les différents types de moteurs asynchrones ne se distinguent que par le rotor ; dans
tous les cas le stator reste, au moins dans son principe, le même. Il est constitué d’un
enroulement bobiné réparti dans les encoches du circuit magnétique statorique. Ce circuit
magnétique est constitué d’un empilage de tôles dans lesquelles sont découpées des encoches
parallèles à l’axe de la machine.
ii. Rotor bobiné [𝟏𝟑]
Le rotor comporte un enroulement bobiné à l’intérieur d’un circuit magnétique constitué de
disques en tôle empilés sur l’arbre de la machine. Cet enroulement est obligatoirement polyphasé,
même si le moteur est monophasé, et, en pratique, toujours triphasé à couplage en étoile. Les
encoches, découpées dans les tôles sont légèrement inclinées par rapport à l’axe de la machine de
façon à réduire les variations de réluctance liées à la position angulaire rotor/stator et certaines pertes
dues aux harmoniques. Les extrémités des enroulements rotoriques sont sorties et reliées à des bagues
montées sur l’arbre, sur lesquelles frottent des balais en carbone. On peut ainsi mettre en série avec le
circuit rotorique des éléments de circuit complémentaires (résistances, électronique de puissance…)
qui permettent des réglages de la caractéristique couple/vitesse. Ce type de moteur est utilisé
essentiellement dans des applications où les démarrages sont difficiles et/ou nombreux ; en effet les
pertes rotor pendant la phase de démarrage valant approximativement ½ Jω² ne sont pas toujours
supportées par les cages.
iii. Rotor à cage [𝟏𝟑]
Le circuit du rotor est constitué de barres conductrices régulièrement réparties entre deux
couronnes métalliques formant les extrémités, le tout rappelant la forme d’une cage d’écureuil. Bien
entendu, cette cage est insérée à l’intérieur d’un circuit magnétique analogue à celui du moteur à rotor
bobiné. Les barres sont faites en cuivre, en bronze ou en aluminium, suivant les caractéristiques
mécaniques et électriques recherchées par le constructeur. Dans certaines constructions, notamment
pour des moteurs à basse tension (par exemple 230/400 V), la cage est réalisée par coulée et
centrifugation d’aluminium. On démontre que, si le nombre de barres est suffisamment grand (soit en
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
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32
Chapitre II
modélisation numérique & SIMULINK
pratique, Nb ≥ 8xp), la cage se transforme automatiquement en un circuit polyphasé de polarité
adéquate. Ce type de moteur, beaucoup plus aisé à construire que le moteur à rotor bobiné est par
conséquent d’un prix de revient inférieur et a une robustesse intrinsèquement plus grande. Il n’est
donc pas étonnant qu’il constitue la plus grande partie du parc des moteurs asynchrones actuellement
en service. Son inconvénient majeur est qu’il a, au démarrage, de mauvaises performances (courant
élevé et faible couple). C’est pour remédier à cette situation qu’ont été développés deux autres types
de cages (rotor à double cage et rotor à encoches profondes).
iv. Rotor à double cage [𝟏𝟑]
Le rotor comporte deux cages coaxiales. L’une (fréquemment réalisée en laiton ou en bronze),
externe, à résistance relativement élevée, est placée près de l’entrefer, L’autre (en cuivre), interne, de
plus faible résistance, est noyée dans le fer. Au démarrage, le courant rotorique, de fréquence égale à
la fréquence f du réseau d’alimentation, se situe essentiellement dans la cage externe, du fait de la
faible pénétration des courants dans l’épaisseur du rotor (effet de peau). Sa relativement forte
résistance réduit l’appel de courant et accroît le couple de démarrage. Au contraire, lorsque le moteur
atteint son régime nominal de fonctionnement, normalement caractérisé par un faible glissement g
donc une fréquence rotorique basse, la cage interne de faible résistance est parcourue par la presque
totalité du courant rotorique ce qui réduit le glissement donc les pertes rotoriques. On peut ainsi,
obtenir des couples de démarrage Cd de deux à trois fois supérieurs à ceux du rotor à simple cage sans
trop augmenter le glissement nominal.
v. Rotor à encoches profondes [𝟏𝟑]
Le rotor à double cage est beaucoup plus difficile à construire que le rotor à simple cage et est
donc d’un coût plus élevé. On peur pallier cet inconvénient, tout en gardant une partie de ses
avantages, en construisant une cage rotorique simple avec des barres très plates s’enfonçant
profondément dans le circuit magnétique. Lors du démarrage, les lignes de courant se concentrent
près de la périphérie et tendent ainsi à assigner une section de conducteur apparente réduite et par
conséquent une résistance rotorique importante. En revanche, en marche normale, cet effet disparaît
et les lignes de courant, en occupant la pleine section de la barre, retrouvent un circuit de faible
résistance. Ce type de moteur, dit à encoches profondes, est très utilisé, notamment dans le cas des
moteurs à haute tension à fort couple de démarrage. Il présente cependant l’inconvénient d’entraîner
une augmentation du coefficient de dispersion des enroulements, donc une diminution du facteur de
puissance du moteur, et bien sûr, d’exiger un diamètre de rotor plus important. Pour remédier à ce
dernier inconvénient, on a parfois fait appel à des conducteurs ayant des formes plus compliquées, en
trapèze, voire en L (la base du Létant en fond d’encoche).
vi. Organes mécaniques (voir schémas ci-après) [𝟏𝟑]
Le stator auto-porteur reçoit de chaque côté un flasque sur lequel le rotor sera positionné grâce à des
roulements à billes ou à rouleaux suivant le type de charge (axiale ou radiale). Un ventilateur est placé
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
33
33
Chapitre II
modélisation numérique & SIMULINK
en bout d’arbre sur le rotor pour le refroidissement de la machine. Il peut être remplacé par une
ventilation forcée motorisée pour le refroidissement aux vitesses lentes.
1 : Stator bobiné
2 : Carter
3 : Rotor
5 : Flasque côté accouplement
6 : Flasque arrière
7 : Ventilateur
13 : Capot de ventilation
14 : Tiges de montage
21 : Clavette
26 : Plaque signalétique
27 : Vis de fixation du capot
30 : Roulement côté accouplement
33 : Chapeau intérieur côté
accouplement
38 : Circlips de roulement côté
accouplement
39 : Joint côté accouplement
50 : Roulement arrière
54 : Joint arrière
59 : Rondelle de précharge
70 : Corps de boîte à bornes
74 : Couvercle de boîte à bornes
Figure .II 10. Vues en coupe [𝟏𝟑]
b. Alimentation, caractéristiques et limites d’utilisation [𝟏𝟑]
i. Démarrage direct
i.1. Caractéristiques en régime permanent
Il semble assez naturel de vouloir
raccorder la machine sur le réseau basse tension 230/400 V 50 Hz (deux couplages sont alors
possibles : étoile (Y) qui impose une tension simple à chaque enroulement ou triangle (D) qui
impose une tension composée à chaque enroulement) mais il ne faut pas perdre de vue que
plus la tension d’un réseau est faible, plus sa puissance de court circuit est faible, donc son
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
34
34
Chapitre II
modélisation numérique & SIMULINK
impédance interne élevée. Cela signifie pour un moteur d’une puissance donnée, que la chute
de tension due au courant de démarrage sera d’autant plus importante que son alimentation se
fera par un réseau de tension faible. Ces chutes de tension peuvent devenir insupportables
pour le réseau comme pour le couple moteur (voir graphe ci-dessus pour une chute de tension
de 20% moteur à cage simple). Lorsque le couple de démarrage est le critère le plus
important, il faudra veiller à limiter la chute de tension pendant la phase de démarrage à 3%
max. Ceci correspond à une diminution du couple de 6 à 8%. Il est souvent intéressant pour
des moteurs de forte puissance d’opter pour des tensions d’alimentation plus élevées.
i.2. Caractéristiques en régime dynamique La caractéristique couple/vitesse en
régime établi ne permet pas de voir l’évolution des grandeurs pendant la phase de démarrage.
Cette phase transitoire fait apparaître une caractéristique couple/vitesse quelque peu
différente. On retrouve ces ondulations de couple sur le relevé de l’évolution de la vitesse en
fonction du temps (graphe ci-dessus). Sur le graphe ci-dessous voici le relevé de l’évolution
du courant en fonction du temps. On y relève quelques valeurs : le courant de démarrage Id =
65A et le courant d’emploi Ie = 7A pour un courant nominal indiqué sur la plaque
signalétique de la machine de : In = 11 A
c. Limitation du courant de démarrage
Pour les moteurs à cage la solution la plus couramment employée consiste à sous
alimenter la machine pendant la phase de démarrage. Il faut cependant que la charge
mécanique permette cette sous alimentation car diminuer la tension dans un rapport 1/n
entraîne une diminution du couple dans un rapport 1/n2. Les solutions techniques sont les
suivantes :

Démarrage étoile - triangle : il nécessite la sortie des 6 bornes moteur et n’est
envisageable que pour des petites puissances à cause de la brutalité des régimes
transitoires lors des changement de couplage. C’est un procédé extrêmement simple et
peu coûteux. Le couplage nominal de la machine doit être ‘‘triangle’’.

Insertion de résistances ou inductances statoriques : cette méthode permet d’avoir
plusieurs crans de démarrage. Les résistances sont de type métallique ou électrolytique
à variation continue. Cette solution est de plus en plus abandonnée au profit de
solutions électroniques d’un coût voisin, d’un volume moindre et d’un rendement bien
meilleur.
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
35
35
Chapitre II

modélisation numérique & SIMULINK
Démarrage par autotransformateur à une ou plusieurs prises : il permet l’obtention
d’un couple moteur plus élevé qu’avec une inductance statorique. Cette solution est
également abandonnée au profit de solutions électroniques d’un coût inférieur.

Démarrage par gradateur de tension : il offre les mêmes performances que la
solution précédente pour un coût et un encombrement moindre. Le couple résistant de
la charge entraînée doit permettre un démarrage ; il sera donc nécessairement
quadratique (Cr = kΩ2 ventilation pompage…). Des fonctionnalités supplémentaires
peuvent lui être adjointes (démarrage à courant constant, dégommage de pompe,
rampes d’accélération et de décélération...). Courbes sur le graphe ci-dessous .
Figure II.11.Le couple résistant de la charge entraînée doit permettre un
démarrage

Utilisation d’un onduleur de tension : Quoi que plus souvent utilisé pour faire de la
peut permettre de faire un démarrage souple avec limitation du courant dans les
situations ou aucune baisse du couple n’est possible.
Pour les moteurs à rotor bobiné, on a la possibilité d’insérer, lors d’un démarrage, des
résistances dans le circuit rotorique. Cette solution permet à la fois de diminuer le courant de
démarrage et d’augmenter le couple moteur. Les résistances sont de type métallique ou
électrolytique à variation continue. Dans ce cas, des solutions électroniques (gradateur
rotorique) sont disponibles. Courbes sur le graphe ci-dessous
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
36
36
Chapitre II
modélisation numérique & SIMULINK
2 C/Cn
R1
1.8
1.6
1.4
R2
7
I/In
6
R3
5
1.2
C=Cn
1
0.8
R2
4
3
0.6
R1
2
0.4
R1
I=In
1
0.2
0
0
0
50
100
150
100N/Ns
0
50
100
150
Figure II.12. couple moteurs à rotor bobiné
d. Freinage des machines asynchrones
i. Freinage par contre courant
Ce mode de freinage est obtenu par inversion de deux phases. Au moment de
l’inversion, le glissement vaut presque 2, il se réduit ensuite rapidement sous l’effet du couple
inverse par rapport au sens de rotation. Généralement, un dispositif électrique de coupure
déconnecte le moteur du réseau au moment du passage à la vitesse nulle (g=1). Le couple de
freinage moyen est, en général, supérieur au couple de démarrage pour des moteurs
asynchrones à cage. La variation du couple de freinage dépend fortement de la conception de
la cage rotorique. Ce mode de freinage implique un courant absorbé important,
approximativement constant et légèrement supérieur au courant de démarrage.
Figure II. 13 .couple Freinage par contre courant
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
37
37
Chapitre II
modélisation numérique & SIMULINK
Les sollicitations thermiques, pendant le freinage, sont 3 fois plus importantes que pour une
mise en vitesse. Le nombre approximatif de freinage par heure permis par cette méthode peut être
évalué comme suit :
3600[1−(
Nf =
𝑃𝑈
𝑃𝑛
) 2]
𝐼
𝑃
𝑡𝑓 [4( 𝑑 ) 2 − ( 𝑈 ) 2 ]
𝐼𝑈
(II.20)
𝑃𝑛
Ou
Nf : nombre de freinages permis par heure
Pu : puissance utile du moteur
Pn : puissance nominale du moteur
tf : temps de freinage (s)
Id/Iu : courant de démarrage/courant utile de fonctionnement
Le temps de freinage approximatif peut être calculé au moyen de la formule suivante :
tf =
𝑘1 ( 𝐽𝑚 + 𝐽𝑐ℎ )
0,45 (𝑐𝑚𝑎𝑥 + 𝑐𝑑 )
(II.21)
Ou
tf : temps de freinage (s)
K1 : constante dépendant du nombre de pôles du moteur
e. Freinage par injection de courant continu
Dans ce mode de freinage, le moteur asynchrone est couplé au réseau et le freinage est obtenu
par coupure de la tension alternative et application d'une tension continue au stator. Quatre
couplages des enroulements sur la tension continue peuvent être réalisés.
Figure II.14 :couplage des enroulement du moteur sur la tension continue .
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
38
38
Chapitre II
modélisation numérique & SIMULINK
La tension continue d'alimentation statorique est généralement fournie par une cellule
de redresseur branchée sur le réseau. Les sollicitations thermiques sont approximativement 3
fois moins élevées que pour le mode de freinage par contre-courant. L'allure du couple de
freinage dans l'intervalle de vitesse (0, Ns) est similaire à celle de la courbe Ce = f (n) et
s'obtient par changement de variable d'abscisse en Nf = Ns - N. Le courant de freinage
s'obtient par la formule :
If = k1i × Id × √
cf −cfe
(II . 22)
k2 − cd
Les valeurs de k1 suivant les 4 couplages sont : k1a = 1.225, k1b = 1.41, k1c = 2.12 et
k1d= 2.45 Quant au couple de freinage il est donné par :
π .J .n
cf = 30 .T
(II . 23)
f
Formules dans laquelle :
If (en A) = courant continu de freinage
Id (en A) = courant de démarrage dans la phase
Cf (en N-m) = couple de freinage moyen dans l'intervalle (Ns, N)
Cfe (en N-m) = couple de freinage extérieur
Cd (en N-m) = couple de démarrage
J (en kg.m2) = moment d'inertie total ramené sur l'arbre moteur
n (en min-l) = vitesse de rotation de l'arbre moteur
Tf (en s) = temps de freinage
k1i = coefficients numériques relatifs aux couplages a. b. c. et d. de la figure
k2 = coefficients numériques tenant compte du couple de freinage moyen (k2 = 1.7)
La tension continue à appliquer aux enroulements est donnée par :
Uf = K3i . K4 . If . R1
(II .24)
Formules dans laquelle :
Les valeurs de k3 pour les 4 schémas sont : k3a = 2, k3b = 1.5, k3c = 0.66 et k3d = 0.5
Uf (en V) = tension continue de freinage
lf (en A) = courant continu de freinage
R1 (en Ω)= résistance par phase statorique à 20° C
k3i = coefficients numériques relatifs aux schémas a, b, c et d
k4 = coefficient numérique tenant compte de l'échauffement du moteur (k4 = 1.3)
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
39
39
Chapitre II
modélisation numérique & SIMULINK
f. Freinage en génératrice asynchrone
Ce mode de freinage s'applique aux moteurs multi-vitesses lors du passage à la vitesse
inférieure ou aux moteurs alimentés en fréquence variable lorsque celle-ci descend. Il est
impossible d'obtenir l'arrêt complet du moteur par ce procédé. Les sollicitations thermiques
sont approximativement identiques à celles qui sont obtenues par le démarrage à la vitesse
inférieure dans le cas des moteurs à couplage Dahlander (rapport des vitesses 1 : 2). Le couple
de freinage développé par la machine asynchrone, de vitesse inférieure, fonctionnant en
génératrice asynchrone dans l'intervalle de vitesse (2Ns, Ns) est très important. Le couple
maximal de freinage est sensiblement supérieur au couple de démarrage du moteur de vitesse
inférieure.
g. Freinage mécanique
Des freins électro-magnétiques (excitation en courant continu ou en courant alternatif)
peuvent être montés à l'arrière des moteurs. Ils peuvent venir en complément d’un freinage
électrique pour l’arrêt complet du moteur et son maintien en position sans alimentation. Ces
freins sont toujours à manque de courant c’est à dire que le freinage se fait en l’absence
d’alimentation du frein. Le dimensionnement et le choix de ce frein se font de la manière
suivante :
La loi de la dynamique permet de déterminer le couple de freinage nécessaire pour
immobiliser la charge en un temps donné par la norme ou le cahier des charges.
- Cf + / -Cr = JT
dΩ
(II .25)
dt
Attention Cr le couple résistant de la machine entraînée peut être un couple de freinage
(signe -) ou un couple d’accélération, dans le cas de charge entraînante (signe +). La
détermination de Cf permet de choisir le frein.
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
40
40
Chapitre II
modélisation numérique & SIMULINK
Talle
Couple
freinage
M
mM
Vitesse
Max 1)
N
Tr/min
Puissance
Électrique
P
w
Moment
d’inertie
du rotor et
moyen
avec
alésage
d max
Masse
Kg
A
a
B
b
C
C1
C2
c
3
4
5
3
6
12
6000
5000
4800
18
28
35
0.077
0.23
0.68
0.6
0.95
1.8
64
64
64
0.2
0.2
0.2
77
77
77
22
26
35
36
36
36
58
58
58
29
29
29
8
8
9
6
7
8
26
50
100
4000
3800
3400
54
71
80
1.99
4.02
13.2
3.1
5.4
9.4
64
77
77
0.2
0.2
0.2
77
90
90
40
48
68
36
37
37
58
63
63
29
43.5
43.5
10.5
18.5
18
9
10
11
200
400
800
3000
3000
3000
110
150
210
24.2
56.2
242
15.5
30
35
77
77
77
0.2
0.3
0.5
90
90
90
75
90
120
37
37
37
63
63
63
43.5
43.5
43.5
18
25
30
TAB II 1 :caractéristique technique.
Il existe deux types de freins : les freins de positionnement et les freins de secours qui
se distinguent par le travail de friction admissible (ou énergie de friction). Cette énergie
dissipée dans les garnitures de frein par échauffement vaut :
1
Cfein
2
Cfein +/ −Cr
Wf = . JT . Ω2 .
(II .26)
On pourra déterminer le nombre de freinages jusqu’à usure de 0,1 mm
Nbrefr 0,1 =
W0,1
Wf
(II .27)
On pourra également déterminer le nombre de freinages jusqu’au réglage de l’entrefer
Nbrefr N = Nbrefr 0,1 . VN
(II .28)
Et enfin le nombre de freinages jusqu’à usure totale
Nbrefr g = Nbrefr 0,1 .Vg
(II .29)
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
41
41
Chapitre II
modélisation numérique & SIMULINK
9 . CONCLUSION
Dans ce chapitre, nous avons rappelé qu'il nous a fallu exprimer quelque phénomène
physique en équation principalement des équation aux dérivées partiels puis montrer qu'il
existe plusieurs méthodes de résolutions des équation aux dérivées partiels, parmi ces
méthode la méthode de résolution de notre logiciel SIMULINK qui est une méthode
numérique. Le rappel des méthodes avec la quelle effectue le logiciel la résolution des
problèmes, nous a permis de bien apprécier les avantages de cette méthode et du choix du
logiciel. La puissance de SIMULINK réside dans un éventail très large de fonctionnalité
d'outil, et puis nous pouvons a chaque moment de la résolution s'amuser a mètre des SCOP
dans chaque ligne et voir le résultat des équations dans chaque étape de résolution les
graphique dessiné par notre logiciel sont très maniable et on peut choisir entre un affichage
numérique ou analogique.
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
42
42
CHAPITRE III
MODELISATION DES MOTEUR MCI ET ELECTRIQUE
DU VEHICULE
Chapitre III
MODELISATION DES MOTEUR MCI ET ELECTRIQUE DU
VEHICULE
1 . Introduction
Nous allons essayer dans ce troisième chapitre de modéliser les deux moteur de notre
véhicule ( moteur MCI et moteur électrique ), nous allons prendre en considération les
équations de mouvement et génération de chaleur ainsi que la production d'énergie totale des
deux moteurs, ici deux mode de fonctionnement sont pris en compte, soit le moteur MCI
tourne et le moteur électrique a l'arrêt ou l'inverse
Notant que le dimensionnements du véhicule est pris en considération et est choisi
optimal ainsi que le poids proportionnellement au nombre de batterie, cela pour différentes
vitesses du véhicule (régime de fonctionnement) nous avons pu voire la variation des
puissances, les températures dissipé, l'énergie mécanique transformé en énergie électrique ,
l'énergie électrique produite et celle consommé tout, un model à été définit lors de notre
travail, finalement les performances d'un tel véhicule utilisant ce même model élaborés
permette par la suite d'optimiser le tout pour une meilleur consommation de carburant .
L’objectif est de déterminer pour un véhicule hybride donné, quelles sont les tailles et
puissances des moteurs les mieux adaptées au suivi d' un cycle de fonctionnement. le
principale problème est le nombre de batteries, lorsque celles-ci permettra de minimiser la
consommation de carburant, tout en n'étant pas sur dimensionné.
2
. Définition du model :
Le véhicule qui sert de base à cette simulation est un véhicule PEUGEOT partner,
sur laquelle sont implantés des éléments de traction électrique. Ce véhicule n'existe pas dans
la réalité, le choix du véhicule est purement facultatif, néanmoins il permettra d'embarquer
une grande quantité de batteries lourds et volumineuses dont l'influence sur la consommation
de carburant en fonction de paramètre dimensionnant (capacité, puissance, etc.) n'est pas
négligeable.
Dans cette étude, nous considérons qu'un moteur électrique est disposé en aval de la
transmission, en liaison directe avec les roues. Le moteur thermique, quant à lui, reste
indirectement lié au train avant via une boîte de vitesses classique et un embrayage, comme
sur un véhicule traditionnel. L'architecture considérée ici correspond donc à un hybride
parallèle.
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
44
44
Chapitre III
MODELISATION DES MOTEUR MCI ET ELECTRIQUE DU
VEHICULE
Avec cette configuration, la position du moteur électrique lui permet d'être
indépendant du moteur thermique, ce qui autorise donc l'utilisation du moteur électrique seul
comme source de puissance, le moteur thermique étant alors arrêté. D'autre part, le fait de
placer le moteur électrique au niveau des roues (au rapport de réduction près) permet de
profiter pleinement du freinage récupératif, tout en ne gardant qu'un seul embrayage comme
sur les véhicules conventionnels.
Notre conception du véhicule PEUGEOT Partner hybridé possède les caractéristiques
suivantes :
la masse du véhicule est de 2010 kg. Nous considérons la même masse pour le
véhicule hybridé, les batteries ne sont pas comprises,
le moteur thermique est un moteur essence de60 liter de cylindrée.
Consommation mixte :5.2 l/100km
la boîte de vitesse est une boîte manuelle à 5 rapports.[14]
Figure III.1 géométrie du model et du véhicule
3
. Modèles utilisés pour l'optimisation avec SIMULINK
Les techniques utilisées pour résoudre le problème de l'optimisation nécessitent d'avoir
des modèles dont le temps d'exécution soit faible. Aussi les modèles choisis, présentés par la
suite, permettent de connaître les tendances d'évolution du gain en consommation lors de la
variation d'une grandeur caractéristique de ces modèles.
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
45
45
Chapitre III
MODELISATION DES MOTEUR MCI ET ELECTRIQUE DU
VEHICULE
Lors de l'optimisation de la répartition de couple d'un véhicule hybride sur cycle, le véhicule
suit une consigne de vitesse en km/h, donnée en fonction du temps. Pour pouvoir suivre cette
consigne, le véhicule doit fournir un couple aux roues, noté Trq, tel que :
Trq rroues -∑ Fres = mγ
(III.1)
où le couple Trq correspond au couple aux roues nécessaire au véhicule pour suivre le cycle
de vitesse, rroues est le rayon des roues, åFres représente les forces qui s.appliquent au
véhicule (aérodynamique, résistance au roulement, etc.), m représente la masse totale du
véhicule, et g est son accélération.
Pour un véhicule hybride, le couple Trq peut être fournit par le moteur électrique, dont le
couple est Tm, et par le moteur thermique dont le couple est Te (e comme engine). Les
différents rapports de réduction mènent à l'égalité suivante :
Trq(t) = Rp Rb(t)Te(t) + Rh Tm (t) + Tbk(t)
(III.2)
où les rapports Rb(t), Rp, et Rh correspondent respectivement au rapport de boîte (dé nit par le
conducteur), rapport de pont (caractéristique du véhicule) et au rapport de réduction entre les
roues et l.axe du moteur électrique. Le couple Tbk correspond au couple de freinage, quand le
véhicule doit être ralenti.
4 . Sélection d’une machine asynchrone (moteur/génératrice)
Le choix d’un moteur asynchrone seul doit permettre l’entraînement de la machine
accouplée avec les performances imposées par le cahier des charges à savoir :

Le nombre de quadrants de fonctionnement

Le couple sur toute la plage de vitesse : caractéristique Cr = f(𝛺)

La vitesse désirée

L’accélération et la décélération souhaitées

Le respect des normes pour le réseau d’alimentation énergétique :
o La puissance de démarrage disponible
o La consommation d’énergie réactive
o Le taux d’harmoniques imposé au réseau
o La compatibilité électromagnétique
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
46
46
Chapitre III
MODELISATION DES MOTEUR MCI ET ELECTRIQUE DU
VEHICULE
1. Il faut donc déterminer la puissance nécessaire à notre application au point de
fonctionnement
P U = Ce . Ω = C r . Ω
(III.3)
(La Caractéristique couple/vitesse de la machine entraînée doit être connue tout comme la
vitesse désirée)
2. Il faut également déterminer le couple nécessaire à notre application pour les accélérations
et décelérations :
Ce – Cr = J T
dΩ
(III .4)
dt
(Les accélérations et décélérations souhaitées doivent être connues. L’inertie de la machine
entraînée doit être connue et celle du moteur doit être estimée.)
La mise en vitesse de l’ensemble moteur + charge se fera en un temps que l’on peut calculer
par la formule simplifiée suivante :
td =
π nf .JT
(III .5)
30 Ca
ou
td : temps de démarrage (s)
nf : vitesse finale (tr/min)
JT : inertie totale ramenée sur l’arbre moteur
Ca : couple accélérateur moyen c’est le couple moyen développé par le moteur durant la
phase de démarrage diminué du couple résistant moyen pendant la même période (Cr).
1
n
Ca = n ∫0 f(Ce (n) − Cr (n))dm
f
(III .6)
Qui peut se simplifier pour une estimation en :
Ca =
Cd +2 Cm + 2 CM + Cn
6
− Cr
(III .7)
Cd : couple de démarrage
Cm : couple d’accrochage
CM : couple maximal ou de décrochage
Cn : couple nominal
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
47
47
Chapitre III
MODELISATION DES MOTEUR MCI ET ELECTRIQUE DU
VEHICULE
2.5
c/cn
2
CM
1.5
1
Cd
Cn
0.5
Cm
0
0
20
40
60
80
100
120
100N/Ns
Figure.III.2. couple moyen développé par le moteur durant la phase de
démarrage
5 . Batterie:
Pour le cas de référence à partir duquel on effectuera des variations paramétriques sur
les éléments de l'architecture hybride, la batterie possède :
- Une énergie spécifique, correspondant à la capacité de la batterie. Pour notre véhicule, on
considère une batterie de capacité 1,3 kW/h.
- Une puissance spécifique, correspondant à un courant maximal que peut débiter la batterie,
sous une tension donnée. En ce qui concerne cette batterie, nous considérons la puissance de
1300W/kg. La tension de fonctionnement se situe à 300V.
L état de charge de la batterie, notée x dans la suite, est une image de la quantité d'énergie
présente dans la batterie. On peut raisonnablement écrire :
X(t) =
Q(t)
Q0
(III.8)
Q(t) représentant la charge de la batterie, et Q0 la capacité de la batterie. L'état de charge x
varie ici entre 0 et 1.
Comme on considère de faibles variations d'état de charge, on représente la batterie
par une capacité, en négligeant de plus la résistance interne de la batterie. On considère par
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
48
48
Chapitre III
MODELISATION DES MOTEUR MCI ET ELECTRIQUE DU
VEHICULE
ailleurs que la tension à ses bornes est constante, i.e. Uc(t) =Uc. À partir de l'équation
régissant l'évolution de la charge aux bornes d'une capacité
Ic(t) = -
dQ(t)
(III.9)
dt
Ic(t) étant le courant absorbé (ou fournit) par le convertisseur, on obtient :
X(t)= -
𝑡
1
𝑄0
∫0 𝐼 C (τ) dτ
(III.10)
A partir de l'expression (8.9), le courant s'exprime par
Ic(t) =
𝑤𝑚 (𝑡)𝑇𝑚 (𝑡)
𝜂𝑚 𝑈𝑐
(III .11)
L'équation (4.5) s'écrit à nouveau
X(t) =
wm (t)Tm (t)
(III .12)
Q0 Uc
X(t) = - Kwm(t) Tm(t)
(III .13)
Avec K = 1/Q0Uc
6
. Moteur électrique et convertisseur
Au premier ordre, le moteur électrique peut être représenté par un élément
transformant de manière instantané le courant absorbé en un couple (et inversement). Le
rendement du moteur est exprimé en fonction du régime de rotation Wm et du courant Ic. Le
couple du moteur électrique
Tm(t) = ηm(ωm , IC)
UC (t)IC (t)
ωm (t)
(III .14)
Où Uc correspond à la tension aux bornes du convertisseur relié au moteur électrique, Im est
le courant absorbé (ou fournit) par le convertisseur, et hm est le rendement du moteur
électrique.
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
49
49
Chapitre III
MODELISATION DES MOTEUR MCI ET ELECTRIQUE DU
VEHICULE
On considère dans cette étude que le moteur électrique possède une efficacité
constante. C’est en partie cette donnée qui conditionnera l’intérêt d'utiliser successivement le
moteur thermique pour régénérer la batterie, puis le moteur électrique pour réduire le couple
du moteur thermique.
7 . Moteur thermique.
Le moteur thermique est caractérisé par son couple Te, son régime We , et sa
consommation instantanée L [Heywood, 1988]. On considère que le temps de réponse du
moteur est instantané. La consommation de carburant est modélisée par une cartographie
donnant la consommation en fonction du régime We (tr/min) et du couple délivré Te (en Nm).
La consommation du moteur thermique s'écrit L, et s’exprimes-en (g/s).
La Figure III.2 représente la consommation spécifique du moteur de la PEUGEOT
Partner, d’apprêt le constructeur bien sur, qui est une image du rendement global du moteur.
Sur cette figure apparaissent clairement les zones de meilleure efficacité, qui correspondent
aux zones où la consommation spécifique est la plus faible.
Figure. III.3: Représentation de la consommation spécifique du moteur thermique de la
Partner
D'autre part, le couple du moteur est limité par un couple maximal Temax dépendant
du régime We, représenté par une cartographie. La Figure 4.2 représente l'allure du couple
maximalTemax en fonction du régime 𝑊𝑒 .
Simulation d’un véhicule hybride moteur électrique & moteur MCI
50
50
Chapitre III
MODELISATION DES MOTEUR MCI ET ELECTRIQUE DU
VEHICULE
Figure. III.4: Représentation du couple maximal Tmax en fonction du régime we
8 . Critères et variables d'optimisation
Le critère à minimiser reste identique au précédent : on souhaite trouver le minimum
de la consommation de carburant sur un cycle prédéfini à l'avance. Pour cette étude, lorsque
l'on souhaite définir certaines caractéristiques d'un véhicule hybride, plusieurs composants
peuvent être définis directement par le constructeur. Modifier certaines grandeurs
caractéristiques de ces composants aura de multiples impacts, qui permettent expliquer la
variation de consommation :

max
Tm
: la puissance maximale du moteur électrique. Cette valeur influe à différents
niveaux, mais aura uniquement une influence sur les contraintes.
a- La capacité du véhicule à passer en mode purement électrique, à couper le moteur
thermique. Cela dépend directement du couple maximal que peut fournir le moteur électrique
pour assurer un suivi de la vitesse de consigne.
b- La possibilité de réduire le couple du moteur thermique pour passer sur des points de
meilleure efficacité.
c- L'énergie récupérable lors d'un freinage, ou lors d’une régénération avec le moteur
thermique.
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Chapitre III

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VEHICULE
La capacité de la batterie. Si celle-ci est faible, les contraintes de bornes sur l'état de
charge seront souvent actives, réduisant les possibilités de réduction de
consommation.
On définit pour le problème d'optimisation étudié les commandes suivantes :
1. Le facteur de répartition u, représentant la répartition de couple entre le moteur
électrique et le moteur thermique. Il relit le couple de consigne Trq aux couples des
moteurs thermique Te et électrique Tm via les relations suivantes :
Te (t) =
{
Tm (t) =
1
RP Rb (t)
1
Rh
U(t)Trq (t)
(1 − U(t))Trq (t)
(III .15)
2. La commande marche / arrêt du moteur thermique : v, qui permet de commander l'état
du moteur thermique noté r, dont les valeurs admissibles sont 0 et 1, correspondant
respectivement à arrêt moteur thermique et démarrage moteur thermique.
9 . Impact des fonctionnalités de l'architecture.
a. Véhicule conventionnel
Le véhicule conventionnel est uniquement équipé d'un moteur thermique classique
fonctionnant à l'essence. Celui-ci est donc utilisé pour le suivi du cycle en accélération et en
vitesse stabilisée, le dispositif de freinage mécanique se chargeant de ralentir le véhicule
durant les phases de freinage.
Figure. III.5: Points de fonctionnement (régime/couple) du moteur thermique
superposés à la consommation spécifique.
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Chapitre III
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VEHICULE
L'indice de couleur est une image de l'efficacité : la couleur marron indique les zones
de faible rendement, tandis que la couleur bleue foncée indique les zones de meilleur
rendement (où la consommation spécifique est la plus faible). On peut remarquer que les
points de fonctionnement du moteur thermique sont situés dans une zone de faible régime et
faible couple, ainsi que dans une zone de régime et de couple plus élevés. Les points de
fonctionnement du moteur durant ces cycles sont particulièrement défavorables. d'un point de
vue énergétique, le rendement du moteur thermique étant faible. D'autre part, on peut
remarquer que peu de points se trouvent dans la zone de bon rendement.
Peu de points (cercles orange) apparaissent sur la Figure III.4 : les points sont en fait
superposés. Cela est dû au cycle qui comporte des portions identiques répétées plusieurs fois,
et au calcul du couple nécessaire au suivi de la vitesse de consigne. Le modèle ne comportant
pas de modélisation du conducteur (c’est un modèle backward), le cycle est parfaitement
suivi, ce qui explique que les portions du cycle qui sont identiques donnent lieu exactement
aux mêmes points de fonctionnement du moteur thermique.
b. Résultats de la simulation
Le cas de notre simulation correspond au véhicule conventionnel, équipé en plus d’un
moteur électrique de 10kW, et d’une batterie de 1,3 kWh. Le moteur électrique se trouve en
aval de la transmission, permettant à celui-ci d'assurer seul la traction du véhicule, le moteur
thermique étant alors éteint. Sur cette application, un démarreur suffisamment puissant permet
d'entraîner rapidement le moteur thermique pour pouvoir faire du Stop-and-Start. On
considère que, pour ce véhicule hybride, le poids global est identique à celui du véhicule
conventionnel. L'optimisation est réalisée sur SIMULINK MATLAB. La consommation de ce
véhicule hybride, après optimisation, est de 2,9 L/100 km, ce qui correspond à un gain de
29,4%.
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Chapitre III
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Figure. III.6: Couples, vitesses et consommation de carburant
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Chapitre III
MODELISATION DES MOTEUR MCI ET ELECTRIQUE DU
VEHICULE
On remarque que le moteur thermique n’est utilisé que lors des accélérations, lorsque le
couple de consigne est assez élevé. D’autre part, lorsqu’il est utilisé, son couple est souvent
supérieur au couple de consigne, a n de recharger la batterie grâce au moteur électrique. L’état
de charge décroît notablement entre t = 800 s et t = 1000 s, à cause d.une utilisation
importante du moteur électrique, puis augmente durant le freinage récupératif.
La Figure III.6 montre le déplacement des points de fonctionnement du moteur thermique.
Une partie de ceux-ci se sont déplacés vers les zones de meilleurs rendements, tandis que les
autres sont ramenés à zéro, le moteur étant alors éteint.
Figure. III.7: Points de fonctionnement (régime/couple) du moteur thermique en mode
conventionnel et en mode hybride à la consommation spécifique.
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Figure. III.8: Couples, vitesses et consommation de carburant
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Chapitre III
MODELISATION DES MOTEUR MCI ET ELECTRIQUE DU
VEHICULE
Le moteur thermique n’est utilisé que durant la deuxième et la troisième accélération,
lorsque celles-ci lui permettent de fonctionner à un bon rendement. D’autre part, durant ces
phases de fonctionnement, u ¸ 1 ce qui indique qu’une partie du couple du moteur thermique
est utilisée pour la recharge de la batterie durant le mode régénération. Lors de ces phases de
régénération de la batterie, il n’est pas toujours possible, ou optimal d’avoir un
fonctionnement du moteur thermique à rendement maximum, pour plusieurs raisons :

si le moteur électrique a déjà atteint son couple minimal, alors le couple du moteur
thermique ne peut plus être augmenté davantage, et le point de rendement maximal ne
peut être atteint.

le fonctionnement en régénération permet de récupérer une énergie supplémentaire.
Cette énergie supplémentaire doit pouvoir être utilisée intelligemment dans le but de
réduire la consommation.
10 . Résultats d’une hybridation partielle
c. Cas ou les batteries son chargé (charge plus de 65%)
i. Vitesse du véhicule moins de 40Km/h
Le véhicule dans ce cas précis a une propulsion spécifiquement électrique et le moteur
MCI est a l’arrêt, les batteries fournisse assez de puissance au moteur pour démarrer, a cette
vitesse dite vitesse de ville, nous avons envisagé de faire la simulation pour plusieurs cas de
figure, par exemple plusieurs démarrages et arrêts du véhicule en cas d’embouteillage, ou
aussi si il faut plus de puissance de démarrage au moteur pour que la voiture commence à
rouler. La vitesse, le couple et la décharge de la batterie sont autant de figure que l’en peut
visualiser.
Nous remarquons des pique dans le graphe de la consommation en énergie électrique
allons a la partie négative est cela est normale car, nous avons voulu simuler lorsque le
véhicule marche pour une courte période donner avec juste une inertie (et qui ce traduit quand
le conducteur relâche la pédale d’accélération) le moteur électrique fonctionne en génératrice
et fournie de l’énergie a la batterie.
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Figure III. 9. (a) consommation en énergie au démarrage, (b) énergie consommer par la
batterie
ii. Vitesse du véhicule plus de 40Km/h
Ici le véhicule marche avec le moteur MCI, le moteur est conventionnel et ça
consommation en fonction du couple et de la vitesse est définit en amont, dans ce cas précis a
une propulsion le moteur électrique fonctionnent en génératrice et charge la batterie, quand
cette dernière est charger a 100% l’énergie ainsi produite est perdus aussi tôt, il est donc
nécessaire de visualiser le graphe e la charge de la batterie, et le temps mis par cette dernière a
ce charger au maximum avec une vitesse de roulement (vitesse dans une autoroute)
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VEHICULE
Figure.III.10 couple de la eharge de la batterie en fonction du temp(cas de la vittes)>40k / h
d. Cas ou les batteries ne sont pas chargé (charge moins de 65%)
Dans ce cas ci le véhicule ne marche qu’en moteur MCI, et les batteries sont
continuellement en charge, la consommation en environnement urbain étant plus importante
qu’en autoroute, et la vitesse idem. Les batterie prennent beaucoup plus de tems a ce charger.
Figure III.11 charge de la batterie dans le temps
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Chapitre III
MODELISATION DES MOTEUR MCI ET ELECTRIQUE DU
VEHICULE
11 .Impact de la taille des éléments
i. Impact de la puissance du moteur électrique sur la consommation
Le moteur électrique peut être utilisé pour différentes fonctions : (i) freiner le véhicule
lors d’un freinage récupératif, (ii) assister le moteur thermique lors d.une demande de couple,
(iii) régénérer la batterie en demandant un surplus de couple au moteur thermique, (iv) assurer
seul la traction du véhicule, le moteur thermique étant alors éteint.
Selon la puissance maximale et minimale du moteur électrique, certaines de ces
fonctions seront soit dégradées (limitations des couples d’assistance et de régénération à cause
des contraintes), soit impossibles (couple insuffisant dans le cas du mode purement
électrique).
Les résultats obtenus sont résumés dans le tableau III.1
véhicule conventionnel
HEV Moteur P=3 kw
HEV Moteur P=5 kw
HEV Moteur P=7,5 kw
HEV Moteur P=10 kw
HEV Moteur P=15 kw
HEV Moteur P=20 kw
Consommation (1/100km)
4,12
3,09
3
2,98
2,9
2,9
2,9
Gain(%)
25%
27,00%
27,60%
29,40%
29,40%
29,40%
TAB III 1. Etude de l' impact de la puissance maximale du moteur électrique.
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MODELISATION DES MOTEUR MCI ET ELECTRIQUE DU
VEHICULE
Figure. III.12: Consommation de carburant en fonction de la puissance du moteur
électrique.
12 . Impact de la variation de la capacité de la batterie
L’énergie aux bornes d’une batterie s’écrit
1
E= CU2
2
(III .16)
Il est intéressant de connaître quelle est la variation de la consommation avec la
capacité de la batterie, sans tenir compte de son poids, car cela permet d’isoler les
phénomènes qui apparaissent lors de la variation simultanée de plusieurs paramètres (capacité
et poids du véhicule). En accord avec le type du modèle utilisé, comme la dynamique de la
batterie ! x ne dépend pas de x, ainsi évidemment que la consommation de carburant, on peut
affirmer le résultat suivant : la variation d’état de charge Dx consécutive à une commande
donnée ne dépend pas de l’état de charge auquel on se trouve. En conséquence, tant que l’état
de charge de la batterie x ne vient pas toucher ses bornes xmin et xmax, la consommation de
carburant reste la même.
On remarque comme attendu qu’au delà d’une certaine capacité de batterie, celle-ci
n’a plus d’influence sur la valeur de la consommation de carburant. En traçant l’évolution de
l’état de charge pour les différentes capacités de batterie, on peut observer la relation liant la
présence de contraintes d’états activées et leur nombre, avec la valeur de la consommation de
carburant.
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Figure. III.13: Consommation de carburant en fonction du poids de la batterie
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VEHICULE
13 . Conclusion
Dans ce chapitre ont été présentées quelques applications d’une méthode de simulation
numérique applicable au
problème de l’optimisation de la répartition de puissance du
véhicule hybride.
Pour ce type de problème, la programmation dynamique avec SIMULINK est bien
adaptée, puisqu’elle permet de prendre facilement en compte les contraintes sur la
consommation de carburant et de la batterie, ainsi que l’état du moteur thermique, et la
surconsommation que produit un démarrage de celui-ci. Il est aussi possible de considérer
cette surconsommation pour le cas du moteur électrique pénalisant la charge de la batterie
destinée à restreindre la consommation de carburant puisque le nombre d’arrêts du véhicule
qui se trouvent être vraiment important en ville. Cet outil nous a permis de quantifier le gain
maximum que l’on peut obtenir sur le véhicule dans notre cas un PARTNER hybridé sur. On
remarque particulièrement, pour ce type de véhicule :
Ce comportement, en plus d’être optimal d’un point de vue énergétique, est
particulièrement intéressant dans les zones urbaines où le moteur thermique pourra être coupé.
L’optimisation des paramètres de dimensionnement tend à montrer qu’un moteur
électrique de 10 kW associé à une batterie de 1 kW/h est optimal sur ce véhicule.
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CONCLUSION GENERALE
Conclusion générale
Conclusion générale
L’objectif de notre étude était de modéliser et de simuler le un véhicule hybride avec deux
moteur, un moteur à combustion interne marchant avec du carburant normal (essence dans notre
cas), et un moteur électrique dont des batteries assure l'énergie. Cela en appliquant le model sur un
cas réel de voiture ordinaire.
A travers notre étude, le mode de propulsion de la voiture est assuré soit par le
moteur électrique attraction arrière, soit par le moteur MCI situer a l'avant de la voiture.
D'autre structure peuvent être appliquer et le mode de propulsion sera assuré par les deux
moteur en même temps, mais ce n'est pas le cas de notre étude.
Nous avons pu ainsi étudier le comportement d'un véhicule normal en ville ou sur
autoroute, et bien sur de confirmer notre model de simulation, les équations du modèle,
les caractéristiques des mécanismes régissant les phénomènes, la vitesse, la puissance
sont autant de paramètres pris en compte pour confirmer l'exactitude du model.
Ainsi et dans un but d'optimisation et d'économie d'énergie (principalement de
carburant), les travaux présentés dans ce mémoire ont consisté aux développements d’un
modèle décrivant les interactions entre les différents paramètre que sont la puissance
fourni par les deux moteur le niveau de charge des batterie la vitesse de charge et
décharge de ces dernières la consommation en carburant, pour cela il était nécessaire de
couplé entre plusieurs équations régissant ces paramètre. Nous avons par la suite étudié le
choix de l'architecture et bien sur le choix des batteries et la voiture pouvant les contenir.
Nous
nous
somme
numériques TOOLBOX
de
intéressé
MATLAB
principalement
à
l'élaboration
des
modèles
qui est a verdir SIMULINK, malheureusement et
par faute de temps nous nous somme limiter a l’étude bloc fonctionnel fréquentiel et non
temporelle cela est dommage car nous ne pouvons pas apprécier pleinement l'étendu de
tout les paramètre entrant en jeu dans la pratique.
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Résume
la concurrence farouche entre les constructeur automobile et l'enjeux de la
performance parallèlement à la technicité et à la chute brutale de la croissance économique
mondial, les grandes marques trouvent d'avantage de problèmes a commercialiser leur
produit. La solution c'est l'hybride. Des moteurs thermiques associer a des moteur électrique
améliorent la consommation en carburant, cet amélioration progressive converge vers une
consommation de carburant plus faible, mais pas de la supprimer définitivement. Dans ce
contexte global, la simulation pour une meilleur optimisation se trouvent obligatoire.
Mots clés : Véhicules hybrides. moteurs thermiques moteur électrique
Summary
the fierce competition between the automaker and performance challenges along
with the technical and the sharp fall in global economic growth, major brands are of benefit
problems in marketing their product. The solution is the hybrid. combine combustion engines
are electric motor improves fuel consumption, this gradual improvement converges to a lower
fuel consumption, but not to delete permanently. In this overall context, the simulation for
better optimization are mandatory.
Keywords : hybrid vehicles. combustion engaines .electric motor
‫ملخص‬
‫المنافسة شرسة في صناعة السيارات واالنخفاض الحاد في النمو االقتصادي العالمي والمشاكل تسويق المنتجات‬
‫ادي بالعالمات التجارية الرئيسية في ايجاد حلول من اجل تحسين اداء السيارات ادي بهذ هي العالمات الي تهجين‬
‫السيارات ايضافة محرك كهربائي مع المحرك الحراري والهدف هوالتقليل من استهالك الوقود ولكن ليس لحذف بشكل‬
‫دائم وفي هذا السياق المحاكاة افضل‬
‫محرك كهربائي‬. ‫ محرك حراري‬. ‫ السيارات الهجينة‬: ‫الكلمات المفتحية‬
Annex :
Bibliographie :
[1] Rousseau, G., Sinoquet, D., and Ronchon, P. Constrained optimization of
énergie management for a milady-hybrida véhicule. E-COSM - Rencontres
Scient qu’es de l’IFP (2006b).
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et de l’élaboration de lois de gestion d’énergie de véhicules hybrides ». Thèse
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Dynamic programming for optimal control problems with nal state constraints.
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elaboration of online energy management laws for hybrid vehicles ». EVS21,
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[5] Michel WASTRAETE .Formateur expert Dossier créé avec la collaboration
du Groupement National pour la Formation Automobile
[6]Wu,B.,Lin,C.-C., Filipi, Z., Peng, H. and Assanis, D. Optimization of Power
Management Strategies fo ra Hydraulic Hybrid Medium Truck. Proceeding of
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[10] Mamadou Kabirou TOURE. modélisation et simulation d'un moteur diesel
enV8 avec le progiciel MATLAB SIMULINK. Promotion 2004
[11] R.. BRUN Science et technique du moteur diesel industriel et de transport
SOCIETE DES EDJTIONS TECHNJP, Paris
[12] P.DEMBA Cours de moteurs, compresseurs et turbines ECOLE
SUPERIEURE POL YTECHNIQUE, Thiès
[13] Philippe LE BRUN Lycée Louis ARMAND 173 Bd de Strasbourg 94736
NOGENT sur Marne.
[14] fiche technique de PEUGEOT Partner.