licence energie renouvelable et development durable

LICENCE
ENERGIE RENOUVELABLE
ET
DEVELOPMENT DURABLE
Module :
Electronique Automobile
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Moteurs Thermiques
Les moteurs thermiques utilisés en automobile sont des moteurs à combustion interne.
On trouve deux types de moteur:
Moteur à allumage commandé (essence, alcool, GPL)
Moteur diesel
L'énergie potentielle stockée dans le carburant est transformée en mouvement linéaire
d'un piston grâce à la combustion d'un mélange air carburant.
Moteur à allumage commandé
Historique
•
Mis au point en 1864 par NiKolaus Otto selon la théorie d'Alphonse Beau de
Rochas de 1862
•
La puissance du moteur était alors modulée par la variation de l'avance à
l'allumage
Composants de base
Phase 1 : Admission
Admission d'un mélange air et de carburant vaporisé, présent dans le conduit
d'admission, mélange préparé par divers composants (carburateur ou système d'injection
indirecte) : ouverture de la soupape d'admission et descente du piston, ce dernier aspire
ainsi ce mélange dans le cylindre à une pression de -0,1 à -0 3 bar ;
Le taux de compression est de l'ordre de 1:8
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Phase 2 : Compression
Compression du mélange : fermeture de la soupape d'admission, puis remontée du piston
qui comprime le mélange jusqu'à 30 bars et 400 à 500 °C dans la chambre de combustion.
Phase 3 : Combustion
Combustion (détente aux environs du point mort haut) : moment auquel le piston atteint
son point culminant et auquel la compression est au maximum ; la bougie d'allumage,
connectée à un générateur d'électricité haute tension, produit une étincelle ; la combustion
rapide qui s'ensuit constitue le temps moteur ; les gaz chauds à une pression de 40 à 60
bars repoussent le piston, initiant le mouvement.
Phase 4 : Echappement
Échappement des gaz brûlés par l'ouverture de la soupape d'échappement, poussés par la
remontée du piston.
Moteur Diesel
Historique
•
•
•
Mis au point entre 1893 et 1897 par l'ingénieur allemand Rudolf Diesel.
Conçu au départ pour fonctionner au charbon pulvérisé, les problèmes d'usure dus
aux résidus ont amené Rudolf Diesel à passer aux carburants liquides (fioul,
huiles végétales).
Le français Lucien-Eugène Inchauspé en fit un moteur performant en inventant la
pompe à injection.
Phase 1 : admission
Admission d'air sans restriction. Il n'y a pas de papillon (throttle) qui limite l'arrivée d'air
qui de plus peut être « turbochargée ».
Phase 2 : compression
Compression d'air : fermeture de la soupape d'admission, puis remontée du piston qui
comprime l'air jusqu'à 35 bars et 700 à 1500 °C dans la chambre de combustion ;
Le taux de compression est de l'ordre de 1:20
Phase 3 : combustion
Combustion (détente aux environs du point mort haut) : moment auquel le piston atteint
son point culminant et auquel la compression est au maximum ; L'ouverture de l'injecteur
pulvérise le carburant qui s'enflamme presque instantanément
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Phase 4 : Echappement
Échappement des gaz brûlés par l'ouverture de la soupape d'échappement, poussés par la
remontée du piston.
Rendement
•
Le rendement d’un moteur à explosion est le ratio de la puissance mécanique
(couple * vitesse) restituée par rapport à la puissance thermique fournie par le
carburant.
•
Actuellement, à leurs meilleurs points de rendement, c’est à dire papillon grand
ouvert et à une vitesse de rotation d’environ les 2/3 de leur vitesse maximum, les
meilleurs moteurs de série pour usage automobile ont un rendement de :
35% pour un moteur à essence à allumage commandé
45% pour un moteur diesel
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Moteurs Electriques
On trouve plus d’une centaine de moteurs électriques dans les voitures modernes.
Principe de base
Un élément conducteur traverse par un courant électrique se trouvant dans un champ
magnétique stationnaire est soumis a une force électromagnétique.
On classifie les moteurs électriques selon le type de courant auquel ils sont soumis :
• Moteurs AC (courant alternatif)
• Moteurs DC (courant continu)
Les moteurs AC
Synchrones
Un champ magnétique tourne à la circonférence du stator. La rotation du champ est
causée par un courant alternatif aux pôles du stator.
Le champ magnétique dans le rotor est fixe par rapport à la position angulaire du rotor.
Le rotor tourne exactement à la même vitesse que le champ du stator par le principe du
magnétisme.
La vitesse de rotation est précise indépendamment de la charge.
Nécessite un courant continu pour le champ du rotor dans le cas d’un champ électro
magnétique (wound field rotor).
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La procédure de démarrage peut nécessiter un lanceur séparé pour vaincre le couple de
démarrage.
Le moteur s’arrête brutalement en cas de surcharge.
Asynchrones
Un champ magnétique tourne à la circonférence du stator. La rotation du champ est
causée par un courant alternatif aux pôles du stator.
Ce champ magnétique induit un courant dans les conducteurs du rotor qui en réponse
génèrent un champ.
Le rotor tourne à une vitesse inferieure à celle du champ dans le stator. Cette vitesse est
dépendante de la charge.
La construction du moteur est simple et peu couteuse.
Les courants de démarrage sont 5 à 8 fois supérieurs au courant nominal.
Les moteurs DC
A aimant permanent
Le champ magnétique du stator est stationnaire.
C’est le courant dans le rotor qui est la cause de la rotation.
La polarité des bobines change quand le moteur tourne.
Il est très facile de faire varier la vitesse de rotation.
Le moteur est silencieux.
L’utilisation d’un système mécanique de balais pour la commutation n’autorise que des
applications de puissance faible (arc électriques lors des commutations).
Une commutation électrique est adaptée aux fortes puissances.
Wound Field
Le stator est bobiné.
Utilisation pour la propulsion
Les véhicules électriques utilisent des moteurs aussi bien AC que DC.
* Les moteurs DC sont alimentes généralement entre 96 to 192 volts.
* Les moteurs AC sont triphasés alimentés en 240 volts AC.
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Les installations DC sont plus simples et moins chères. Un moteur typique est dans
l’ordre de 20 à 30 Kw.
Les installations AC permettent d’utiliser presque tous types de moteurs industriels
triphasés. L’utilisation de moteur AC permet de régénérer l’énergie au freinage en
passant an générateur pour recharger les batteries.
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Véhicules hybrides
Full Hybrid
Selon la société des ingénieurs automobile (Society of Automotive Engineers SAE), un
véhicule hybride est composé au minimum de deux systèmes de stockage d'énergie qui
peuvent indépendamment ou simultanément assurer la propulsion.
Battery
Converter
Electric
Motor
Reservoir
Engine
Hybride serie
Seul le moteur électrique assure la traction. C'est donc une vrai voiture électrique
dans laquelle on a ajouté un moteur thermique accouplé à un générateur.
Ils sont également nommés Range-Extended Electric Vehicle (REEV).
Comme l’hybride série n’a pas de couplage mécanique entre le moteur thermique et
le train roulant, celui-ci peut tourner a sa vitesse optimum ce qui permet augmente
son efficacité en vitesse transitoire ou faible.
Mais la puissance du moteur thermique devant passer au travers du générateur et du
moteur électrique ce qui implique des pertes, l’efficacité sur des longues distances a
allure constante est inferieure a un système parallèle.
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Reservoir
Engine
Battery
Generator
Charger
Converter
Electric
Motor
Flywheel
Or
Capacitor
Hybride série-parallèle
Ils intègrent un Power-split qui permet de connecter directement le moteur thermique au
train roulant.
Battery
Reservoir
Generator
Charger
Converter
Engine
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Electric
Motor
Electronique de gestion
Exemple de calculateurs dans une voiture de production :
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31
BCM
ECM
EPS
BSM
MTA-TCM
SAS
EPB
YRS
ACC
LCM
GSM
EDM
DCM
AFLM
IPC
SSM
RRM
ITM
DDM
TAM-RCM
ECC
RAM
PDM
DSM
PEM
ESL
PSM
PAM
SDM
TPMS
AWS
Body Computer Module
Engine Control Module
Electric Power Steering Control Module
Brake System Control Module - ESP
Manual Transmission Autmated-Trasmission Control Module
Steering Angle Sensor Control Unit
Electrical Parking Brake Control Unit
Yaw Rate Sensor Control Unit
Adaptative Cruise Control Unit
Lifter Control Module
Gearbox Selector Lever Module
Electronic Differential Control Module
Damping Control Module
Adaptive Front Light Module
Instrument Panel Cluster
Steering Switches Module
Radio Receiver Module
InfoTainment Module
Driver Door Module
Trunk Area Module/ Roof Control Module
Air Conditioning Control Module
Roof Area Module
Passenger Door Module
Driver Seat Module
Passive Entry Module
Electric Steering Column Lock Module
Passenger Seat Module
Park Aid Module
Sensing and Diagnostic Module
Tyre Pressure Monitorint System
Active Wireless sensor
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Ordinateur de bord
Controle moteur
Direction assistee
Freinage
Boite de vitesse
Angle de braquage
Frein de parking
detection de rotation (utilise par ESP)
Regulateur de vitesse
changement de vitesse
changement de vitesse
differenciel
amortisseurs
phares
Tableau de bord
manettes de volant
radio
console video
porte chauffeur
coffre/toit ouvrant
Air conditione
toit
porte passager
siege chauffeur
verrouillage de colonne de direction
siege passager
aide au parking
pression des pneus
Catégories de calculateur
Control moteur :
Allumage, injection, déphasage des soupapes, boite de vitesses, régulateur de vitesse…
Conduite et tenue de route :
Freinage, anti patinage, direction assistée, suspension…
Habitacle :
Ordinateur de bord, radio, GPS, condamnation centralisée…
Communications :
Gateway
Architecture
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Les éléments de base d’une « ECU » (Electronic Control Unit)
Alimentation (power supply)
Elle convertie la tension batterie (12V) en tension d’utilisation des circuits intégrés (5V,
3,3V). Elle assure également la protection contre les cours circuits.
Microcontrôleur (MCU)
C’est le cœur de l’ECU. Il intègre un microprocesseur, de la mémoire (RAM, Flash) et
des modules de gestion des périphériques :
- Contrôleurs CAN, LIN ….
- Convertisseur analogique numérique
- Compteurs
- …
Communication (LIN-CAN-FlexRay)
Les microcontrôleurs intègrent des modules de gestion de protocole mais des
« tranceivers » réalisent le couplage électrique.
Entrées discrètes et analogiques
Elles assurent la mise en forme des signaux provenant des différents capteurs pour être
lus par le microcontrôleur.
Sorties discrètes et fréquentielles
Pour commander les différents actionneurs (relais, moteurs, solénoïdes…).
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Réseaux de données
Définitions
Les définitions de bases qu’il faut comprendre :
Communication – échange d’information
Protocole – méthode standardisée de communication
nœud - un participant d’un réseau
Les méthodes de communication
– Série - transfert des données, un bit a la fois
très populaire car peu cher
– e.g.: Ethernet, CAN, LIN
– Parallèle - transfert des données par octet
plus cher
Catégories de communication
Basée sur la façon dont les nœuds sont connectés
– Intra ECU communication
» Communication entre périphériques et microcontrôleur
– Inter ECU communication
» Communication entre deux contrôleurs (ECU) ou plus
Basée sur le nombre de nœuds connectés
– Communication « Broadcast »
» L’information est disponible pour tous les nœuds présents sur le
réseau
– Communication Point à point
» Seulement entre deux nœuds
Multiplexage de données
–
–
–
–
–
–
Une technique de transmission/réception de données entre différents
nœuds sur un lien / bus commun
La plupart des bus sont multiplexés
Le multiplexage est utilisé dans les réseaux complexes
Le multiplexage permet de réduire le nombre de fils donc le poids des
faisceaux de câblage
Il existe une possibilité de perte de donnée due aux collisions
Des techniques variées de synchronisation sont utilisées pour éviter ou
résoudre les collisions
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Topologie des réseaux
•
•
•
•
•
Etoile
Anneau
Point à point
Bus
Arbre
Standards
Nous avons besoin de protocoles standards pour
– Etablir une compatibilité entre des produits de différents fabricants
– Améliorer la maintenance des logiciels
– Supporter une architecture de réseaux ouverte
La SAE définie les protocoles de communication en 3 classes:
– Classe A (Vitesse < 10 Kb, low cost)
– Classe B (vitesse de 10 à 125 Kb)
– Classe C (vitesse > 125 Kb, temps réel)
Protocole de communication
Les données séries sont simplement des données binaire transportées comme une
suite d’information.
Le format de cette suite d’information est défini par le protocole.
Chaque protocole utilise un logiciel qui contrôle la communication.
Dans les bus sériels, les problèmes tels que la contention (deux nœuds ou plus
transmettent en même temps) ou les erreurs de donnée sont pris en compte par le
protocole.
Le standard OSI
Le standard ISO Open Systems Interconnection (OSI) spécifie les fonctions
hiérarchiques qui forment les différentes couches des protocoles.
Les couches sont:
1. Physique (Spécifications mécaniques et électriques)
2. Liaison (Structuration des données sous forme de trames, détection et
correction des erreurs)
3. Réseau (Routage, acheminement des données)
4. Transport (Formatage des données sous forme de message)
5. Session (Structuration du dialogue)
6. Présentation (cryptage, format, compression…)
7. Application
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Méthodes d’accès au Bus
Le Protocole spécifie une des méthodes d’accès au bus pour permettre à un nœud de
communiquer sur le bus sériel.
Les méthodes possibles sont:
– (1) Maitre-Esclave : un nœud spécifique agit en maitre et donne la parole à
un esclave a son tour.
– (2) Token Slot/Token Ring : le nœud ayant le jeton peut parler et il passe
ensuite le jeton au suivant.
– (3) Carrier Sense Multiple Access (CSMA) : Détection de disponibilité du
Bus.
LIN
C’est un protocole de Classe A qui a été spécifié par un consortium (Audi , BMW ,
DaimlerChrysler , Motorola, Volcano Communications Technologies, Volkswagen,
Volvo)
Il utilise la méthode d’accès Maitre-esclaves.
CAN Controller Area Network
Invente par BOSCH au début des années 1980’s (rejoint par Intel en 1985) pour
utilisation automobile use (première utilisation en 1991 Mercedes S-Class).
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