Dimensionnement par optimisation d’une machine dédiée à une chaîne de traction hybride à dominante électrique

Dimensionnement par optimisation d’une machine dédiée à une chaîne de
traction hybride à dominante électrique

Analyse des différentes technologies des véhicules à moteur électrique

Historiquement, le premier véhicule à avoir dépassé la barre symbolique des 100 km/h n’est autre qu’un véhicule électrique, la Jamais Contente de l’ingénieur et pilote belge Camille Jenatzy. Cette véritable voiture de course de l’époque, en forme de torpille, est propulsée par deux moteurs électriques d’une puissance totale de 50 kW qui représentent un poids de 250 kg. Placés à l’arrière, les moteurs sont liés directement aux roues. Pour l’alimentation, il s’agit d’accumulateurs pesant 650 kg, soit près de la moitié du poids du véhicule. Toutefois, cet événement de la fin du XIXème siècle (1899) marque la fin du véhicule électrique et l’avènement du véhicule à combustion, déjà pour des questions de coût, d’autonomie et de fiabilité. Figure 12 : La Jamais Contente [Wik04a]

Technologie tout électrique

En soit, le véhicule électrique (VE) est très simple dans son principe de réalisation (Figure 13). Figure 13 : Schéma bloc du véhicule électrique Pour un fonctionnement en moteur, un élément de stockage alimente une machine pilotée par l’intermédiaire d’un convertisseur. La puissance mécanique en bout d’arbre est ensuite transmise à l’essieu et aux roues qui permettent le déplacement du véhicule. À l’inverse, lors des phases de décélération, l’énergie cinétique du véhicule est récupérée par l’intermédiaire de la machine électrique sous forme d’énergie électrique. Elle fonctionne alors en génératrice et permet de recharger la batterie.

Automobiles électriques dans le monde et en France

Malgré de nombreux prototypes, très peu d’applications de VE ont marqué la grande série automobile mondiale jusqu’aux années 1990. Cette date marque le retour de l’engouement pour I.3 Analyse des différentes technologies des véhicules à moteur électrique 17 la voiture électrique suite aux crises pétrolières des années 70 et 80 où quelques modèles ont alors été développés par les constructeurs américains et japonais. Sur la lignée des constructeurs américains et japonais, les constructeurs français ont tour à tour développés des véhicules électriques tels que le Kangoo electri’cité de Renault, la Peugeot 106 électrique et les Citroën AX et Saxo. Au milieu des années 1990, les premiers VE sont principalement destinés aux agglomérations et aux établissements publics. Ainsi quelques parcs automobiles ont ainsi été créés comme à La Rochelle constitué de Peugeot 106 et Citroën Saxo. Fin 2011, l’apparition de l’Autolib à Paris permet à un abonné de louer un VE, la Bluecar de Bolloré, pour se déplacer dans la capitale. Encore plus récemment Renault propose à grande échelle des modèles électriques comme la Twizy et la Zoé, deux véhicules tout électrique. 

Technologie hybride

Dans le contexte automobile qui nous concerne directement, le terme hybride correspond à l’association de deux éléments de nature différente. Même si l’approche la plus conventionnelle reste l’association d’un moteur thermique à un moteur électrique, d’autres couplages sont envisageables, comme par exemple, la combinaison d’un moteur électrique à une pile à combustible décrite par Rahman [Rah06]. Dans cette configuration, il n’y a qu’un seul organe de transmission (le moteur électrique) mais les sources (la pile à combustible et la batterie) sont bien de natures différentes. En définitif, nous ne nous intéresserons qu’aux couplages entre le moteur thermique et le moteur électrique définis sous l’appellation d’hybridations. La littérature par l’intermédiaire de Beretta [Ber05] tend à définir trois types de combinaisons hybrides : l’hybridation série, l’hybridation parallèle et l’hybridation à dérivation de puissance ou série/parallèle.

Hybridation série : L’hybridation série fait référence à l’association des deux moteurs

Ainsi, le moteur à combustion est associé à un alternateur (Figure 14). L’énergie électrique en sortie de ce dernier peut être associée à celle de la batterie pour alimenter le moteur électrique qui assure donc seul l’entrainement du véhicule. Figure 14 : Schéma de principe de l’hybridation série Ainsi, l’hybridation série propose une unique configuration des organes de transmission qui d’un point de vue global, s’apparente à l’association d’un groupe électrogène (moteur thermique plus alternateur) monté sur une voiture tout électrique. 18 I. État de l’art des motorisations électriques pour l’automobile – Projet Hydole Le moteur thermique permet alors de subvenir aux batteries en alimentant le moteur électrique et même les recharger en fonctionnement urbain à vitesse constante. Enfin, durant les phases de freinage, le moteur électrique fonctionne en génératrice et recharge les batteries. Cependant, l’hybridation série présente deux inconvénients. Tout d’abord, la chaîne de conversion est relativement longue (moteur thermique – alternateur – moteur électrique) et risque d’impacter sur le rendement global. D’autre part, le moteur électrique doit être dimensionné pour fournir toute la puissance de traction induisant un encombrement et un coût conséquent. Exemple d’application : le Renault Kangoo Un bon exemple d’application concerne le Renault Kangoo Elect’road (Figure 15 (b)) né de l’association d’un véhicule électrique couplé à un groupe électrogène baptisé Range Extender. Initialement, le Kangoo Electri’cité (Figure 15 (a)) est un véhicule tout électrique présentant une autonomie limitée à 90 kilomètres. Pour l’augmenter et permettre au conducteur d’être moins soucieux du niveau de la batterie, il a été ajouté un groupe électrogène. Le Range Extender a été dimensionné pour fournir une puissance à une conduite normale. Pour des raisons de coût, de poids et de volume celui-ci ne permet pas de recharger complètement la batterie mais de l’épauler en cas de besoin. Son rôle consiste donc à prolonger l’autonomie et assurer l’alimentation électrique dans le cas où la batterie viendrait à se vider. (a) (b) Figure 15 : Kangoo Electri’cité (a); Kangoo Elect’road (b) Lors du fonctionnement, le conducteur peut choisir d’utiliser ou non le Range Extender. L’intérêt majeur de ce système est de pouvoir rouler tout électrique en utilisant le prolongateur d’autonomie lorsque le niveau des batteries devient critique. Un panel de configurations des hybridations série ayant été abordé, nous allons maintenant présenter l’hybridation parallèle. 

Hybridation parallèle

Le terme d’hybridation parallèle signifie que chaque moteur génère une puissance distincte pour produire une puissance de traction additionnelle. Ainsi, l’entraînement du véhicule peut être fait de trois manières : par le moteur thermique ou par le moteur électrique ou par l’association des deux. L’hybridation parallèle offre l’avantage de pouvoir dissocier les puissances créées par les moteurs sur les deux essieux, correspondant aux véhicules quatre roues motrices. Dans la suite du paragraphe seule l’association des moteurs thermique et électrique sur un seul essieu sera abordée. I.3 Analyse des différentes technologies des véhicules à moteur électrique 19 Figure 16 : Schéma de principe de l’hybridation parallèle (montage sur le même essieu) La dissociation de puissance entre les moteurs thermique et électrique se distingue par la présence de la transmission (Figure 17) qui permet si nécessaire de coupler les deux moteurs pour tirer un maximum de puissance sur l’essieu. Exemple d’applications : les Honda Insight et Civic Hybrid Les nouvelles versions de ces véhicules permettent le passage en mode tout électrique en zone urbaine, là où le rendement du moteur thermique est relativement médiocre. À l’inverse, en zone périurbaine et sur autoroute le moteur thermique entraîne seul le véhicule, le moteur électrique aidera si nécessaire lors des dépassements. Pour les phases de décélération, le moteur électrique travaille en génératrice pour recharger les batteries. Finalement, l’intérêt de cette configuration réside dans l’assistance que porte le moteur électrique au moteur thermique lors des phases d’accélération où la consommation de carburant et l’émission de gaz polluants sont les plus importantes. En conclusion, l’hybridation parallèle a pour avantage de ne pas modifier fondamentalement la structure des véhicules. On notera seulement l’insuffisance en terme d’apport du moteur électrique qui hors zone urbaine servira uniquement d’assistance au moteur thermique. 

Hybridation à dérivation de puissance ou série/parallèle

Cette hybridation est en quelque sorte la combinaison des hybridations série et parallèle. La puissance fournie par le moteur thermique permet d’entraîner le véhicule mais aussi de générer de l’énergie électrique destinée à recharger les batteries et/ou alimenter le moteur électrique. Cette séparation de la puissance a donné son nom à cette hybridation : dérivation de puissance ou série/parallèle. 20 I. État de l’art des motorisations électriques pour l’automobile – Projet Hydole Figure 17 : Schéma de principe de l’hybridation série/parallèle Son énorme avantage est donc de diviser la puissance fournie par le moteur thermique au moyen du train épicycloïdal (Figure 17). Les configurations sont alors multiples et certaines très intéressantes méritent d’être exposées : ◦ Au démarrage et à vitesse réduite, le moteur électrique est utilisé seul en raison du faible rendement du moteur thermique à basse vitesse. ◦ En zone périurbaine la traction se fait par les deux moteurs sans utiliser la batterie. Si la vitesse est maintenue constante, le moteur thermique entraînera l’alternateur qui rechargera la batterie. ◦ Lors d’une accélération pour un dépassement ou lors d’une longue montée, les batteries alimentent le moteur électrique pour fournir un maximum de puissance au véhicule. ◦ Les décélérations et les freinages permettent de recharger les batteries via la machine électrique fonctionnant en génératrice. ◦ Et à l’arrêt, toutes les sources sont coupées. Cette hybridation est très efficace et permet de réduire significativement la consommation de carburant et les émissions de gaz polluants. La mise en place des différents organes (moteur thermique, moteur électrique, train épicycloïdal, alternateur) est cependant plus complexe et plus onéreuse que les précédentes hybridations. Et pourtant, la Toyota Prius [Her98], pionnière de la grande série, est la voiture la plus aboutie et la plus plébiscité par les automobilistes notamment en raison de ses performances en termes de consommation dans un contexte économique délicat. Figure 18 : Toyota Prius III [Toy]

Analyse des différentes technologies des véhicules à moteur électrique

L’emplacement du moteur au sein du véhicule est également un point crucial. Les possibilités sont multiples et certaines présentent des avantages non négligeables sur l’agrément de conduite.