Définitions et contexte de l’hybridation

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Heuristiques optimisées et robustes de résolution du problème de gestion d’énergie pour les véhicules électriques et hybrides

Définitions et contexte de l’hybridation

Crise énergétique

Les découvertes de ressources pétrolières dans le monde ne cessent d’augmenter avec l’accroissement de la demande mondiale en énergie fossile (figure 1.2). Des modèles basés sur l’estimation et la prédiction des réserves pétrolières montrent que si le niveau de découverte des énergies fossiles reste le même qu’aujourd’hui sachant que la demande énergétique sera doublée d’ici à 2050, alors une crise énergétique est prévue au cours de ce siècle. Sachant que depuis 1985 la production annuelle est supérieure à la découverte annuelle [Sor 10] [Rho 10]. Selon [Ehs 09] l’année prévue pour épuiser toutes les ressources pétrolières est 2038, selon [Kja 09] ces ressources ne permettront pas de dépasser l’an 2028. D’autres études optimistes basées sur les nouvelles technologies d’extraction montrent que les réserves ne peuvent pas être épuisées avant 2050 [Lah 06] [Sha 09]. D’autres modèles basés sur les énergies renouvelables et récemment, sur le développement des technologies d’extraction de gaz de schiste et le gaz de houille, prévoient le repoussement de la date d’épuisement des puits de pétrole. Ce qui est sûr c’est que toutes ces données sont basées sur des modèles où l’incertitude est un facteur important, que les évolutions technologiques sont permanentes, mais qu’une gestion de l’énergie notamment dans les transports est incontournable.

Crise économique liée à la crise énergétique

Depuis 1973, la crise économique provoquée par la crise pétrolière a forcé les constructeurs automobiles à trouver des procédures et/ou des énergies alternatives afin de réduire la dépendance croissante aux pays producteurs de pétrole brut. Cette dépendance constitue un danger pour la croissance économique pour les états importateurs de pétrole dont la France. Depuis ce choc pétrolier, il n’y a plus de doute que l’économie mondiale est entrée dans une grave stagnation (Taux de croissance en France nul ou quasiment en 2012 et 2013 selon l’INSEE, crise aux origines multiples mais pour laquelle l’énergie est au centre du problème). Récemment, la crise économique mondiale a été déclenchée par la crise financière, qui a débuté mi-2007 aux Etats-Unis d’Amérique. Le secteur de l’énergie, comme tous les autres secteurs économiques, est profondément touché par l’état des affaires financières. Par conséquent, l’investissement global dans l’approvisionnement en énergie fossile, a été substantiellement réduit sur les dernières décennies [Owe 10]. L’impact de la crise en France a frappé directement le prix du carburant qui a été augmenté de 50 % pendant 3 ans. Par exemple, mi-2009 le litre de gasoil était en France de l’ordre de 0.9 euro, après 3 ans, le prix du litre a atteint 1.5 euros. Actuellement, il y a une énorme incertitude sur les perspectives économiques, fortement liée aux découvertes énergétiques. Pour faire face, l’Union Européenne a mis en place plusieurs politiques (telle que “stratégie Europe 2020“) et de nombreuses législations, afin de réduire la consommation en énergie fossile.

La croissance économique et la mobilité

Pour bien comprendre l’évolution du marché des véhicules, il est nécessaire de la comparer à l’augmentation de la population mondiale. Nous commençons par l’enquête sur la croissance de la population mondiale. En 2000, la population mondiale compte 6 milliards d’individus avec 700 millions de voitures. En revanche, en 2050, la population sera de 10 milliards avec 2.5 milliards de véhicules [Cha 02a] (figure 1.3). Par contre les climatologues conseillent une diminution des émissions de gaz à effet de serre de 60 % par rapport au niveau actuel d’ici à 2050 pour éviter un changement climatique dramatique [Cag 11]. Ces deux scénarios sont totalement contradictoires : une augmentation importante du nombre des véhicules engendre une grosse demande jour après jour, d’énergie fossile, essentiellement venue du pétrole, ce qui va à l’encontre des contraintes environnementales de diminution drastique des émissions de gaz à effet de serre. Donc le dilemme à résoudre est : comment diminuer la pollution à travers les émissions toxiques conjuguée à une augmentation importante du nombre des véhicules ?

Contexte environnemental

La combustion dans les véhicules classiques peut être complète ou incomplète. Dans le cas où tout le carburant se transforme en dioxyde de carbone CO2 et en eau H2O . La combustion est incomplète si une portion du combustible n’a pas été transformée. Dans ce cas, des résidus et des émissions sont produits sous forme : de monoxyde de carbone CO, hydrocarbure HC et oxyde d’azote NOx qui sont très dangereux pour la santé (responsables de plusieurs cancers) et sont des poisons pour l’être humain et pour l’environnement. La combustion incomplète se fait principalement quand il y a défaut ou excès d’oxygène (contrôle d’injection) dans la chambre de combustion pour le cas d’un moteur à explosion. Environ le quart des émissions mondiales en CO2 est généré par les moyens de transport tous types confondus. 75% de ce quart est généré par les moyens du transport routiers (voitures, bus et camions). Entre 1990 et 2000, les émissions globales de CO2 ont augmenté de 13%, alors que les émissions produites par le transport aérien et routier ont augmenté de 25% [Bal 06]. En 2050, La demande en énergie pour le domaine du transport pourrait être doublée, selon les statistiques [Iea 09], alors que la stratégie mondiale vise à réduire les émissions à 50 % [But 08]. L’agence internationale de l’énergie prévoit en 2050, une augmentation de 70 % de la demande en pétrole et 130 % d’augmentation du taux de CO2 [Gre 11] [The 09] [Fug 08]. La création des législations sur les émissions de gaz à effet de serre a obligé les gouvernements à promouvoir les développements des véhicules hybrides et électriques. Le protocole de Kyoto est l’une des principales législations qui oblige la majorité des pays industriels (37 pays) à diminuer les émissions de gaz à effet de serre.

Table des matières

Introduction générale
1 Les véhicules hybrides et électriques
1.1 Introduction
1.2 Aperçu historique et état de l’art
1.3 Définitions et contexte de l’hybridation
1.3.1 Crise énergétique
1.3.2 Crise économique liée à la crise énergétique
1.3.3 La croissance économique et la mobilité
1.3.4 Contexte environnemental
1.3.5 Problème de comparaison – sujet tabou
1.4 Les architectures hybrides
1.4.1 Classification des architectures hybrides selon la disposition mécanique
1.4.1.1 Principe d’un véhicule de type hybride série
1.4.1.2 Hybride parallèle
1.4.1.3 Architecture hybride série-parallèle
1.4.1.4 Hybride complexe .
1.4.2 Classification des architectures hybrides selon le niveau d’hybridation
1.4.2.1 Hybridation micro
1.4.2.2 Hybridation légère
1.4.2.3 Hybridation complète – intégrale
1.4.2.4 Hybridation rechargeable
1.4.3 Stratégie de gestion de la source électrique selon le mode de fonctionnement
1.4.3.1 Appauvrissement de l’état de charge
1.4.3.2 Maintien de l’état de charge
1.4.3.3 Mode combiné
1.4.4 Classification des architectures hybrides selon le carburant utilisé
1.4.4.1 Véhicule hybride à moteur à combustion
1.4.4.2 Véhicule hybride à pile à combustible
1.5 Véhicule hybride à pile à combustible
1.5.1 Système à Pile à Combustible (SPAC)
1.5.1.1 Aperçu historique
1.5.1.2 Les différents types de piles à combustible
1.5.1.3 Pile à combustible à membrane échangeuse de protons
1.5.2 Système de Stockage Electrique (SSE)
1.5.2.1 La batterie
1.5.2.2 Le supercondensateur
1.5.2.3 La différence entre une batterie et un supercondensateur
1.5.3 Traction des véhicules hybrides à pile à combustible
1.5.4 Avantages des véhicules à pile à combustible
1.5.5 Inconvénients des véhicules à pile à combustible
1.6 Conclusion
2 La gestion d’énergie dans un véhicule hybride et électrique
2.1 Introduction
2.2 Objectif
2.3 La nécessité d’un système de gestion des puissances
2.3.1 Le dimensionnement du système
2.3.2 L’optimisation des puissances après le dimensionnement
2.4 Classification des stratégies de gestion d’énergie dans les véhicules hybrides
2.5 Formulation générale du problème
2.5.1 Fonction objectif
2.5.2 Contraintes
2.5.2.1 Contrainte de capacité
2.5.2.2 Satisfaire la demande
2.5.2.3 Limites sur l’état de charge
2.5.2.4 état de charge final du SSE égal à l’état de charge initial
2.6 Stratégies d’optimisation globale
2.6.1 La programmation dynamique
2.6.2 La programmation linéaire
2.6.3 La commande optimale
2.7 Stratégies d’optimisation instantanée
2.7.1 La méthode Thermostat
2.7.2 L’algorithme de Toyota Prius et Honda Insight
2.7.3 La logique floue
2.8 Conclusion
3 Optimisation globale de la distribution des puissances pour les véhicules électriques et hybrides
3.1 Introduction
3.2 Étude approfondie de la programmation dynamique
3.2.1 Performances et limites de la programmation dynamique classique
3.2.2 Correction des points faibles identifiés
3.2.2.1 Récupération de l’intégralité de l’énergie de freinage
3.2.2.2 Problème du point de départ d’énergie stockée égal au point d’arrivée
3.2.3 Points forts de l’approche corrigée
3.2.3.1 Résolution : à partir de n’importe quel état de charge initial, le point d’état de charge final désiré peut être atteint
3.2.3.2 Solutions faisables et ligne optimale de la consommation
3.2.3.3 Intersection des chemins
3.3 Heuristiques proposées
3.3.1 Heuristique H1
3.3.2 Heuristique H2
3.3.3 Heuristique H3
3.3.4 Heuristique H4
3.3.4.1 Modèle et résolution par Quasi-Newton
3.3.4.2 Points de départ aléatoires (multi − start points)
3.3.4.3 Points de départ spécifiques( « smart start point »)
3.3.4.3.1 La puissance demandée comme point de départ
3.3.4.3.2 La solution de l’heuristique H2 comme point de départ
3.4 Bornes de consommation
3.5 Conclusion
4 Étude de la robustesse des solutions
4.1 Introduction
4.2 L’optimisation robuste : Définition et généralités
4.3 Classification des perturbations
4.4 Déroulement en ligne de solutions calculées hors ligne
4.5 Formulation robuste du problème
4.6 Identification du pire cas de perturbation pour une solution donnée
4.6.1 Formulation mathématique du pire cas de perturbation
4.6.2 Résolution du problème du pire cas
4.6.3 Exemple d’évaluation des solutions
4.7 Heuristiques de génération de solutions robustes
4.7.1 Heuristique R1 : Reformulation bi-niveau et résolution itérative
4.7.1.1 Résolution et Simulations
4.7.1.2 Validation des résultats pour des perturbations aléatoirement générées
4.7.2 Heuristique R2 : Résolution du problème par une formulation multi-objectifs (solution expérimentale)
4.7.2.1 Résolution et Simulations
4.7.2.2 Validation des résultats pour des perturbations aléatoirement générées
4.7.3 Heuristique R3 : Quasi-Newton sur formulation modifiée suivant les spécificités du véhicule
4.7.3.1 Démonstration
4.7.3.2 Résolution et simulations
4.7.3.3 Validation
4.7.4 Heuristique R4 : Adaptation de la programmation dynamique
4.7.4.1 Réponse à une variation d’énergie dans le SSE
4.7.4.2 Heuristique R4 : H1 avec pénalisation dans les zones de perturbation potentielles
4.8 Borne inférieure de consommation et validation
4.9 Conclusion
Conclusions et perspectives
Références bibliographiques