Modélisation et Commande des Systèmes à Compression de Vapeur

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CONTEXTE DES VÉHICULES ELECTRIQUES

Les intérêts des véhicules électriques sont multiples : pas d’émissions nocives (polluants), faible bruit lors du roulage par exemple. Cependant, même si ces propriétés sont actuellement d’actualité, ces véhicules possèdent également des points faibles tels que le temps de recharge et le besoin d’une infrastructure adaptée pour la charge qui limitent leur développement de masse. Des efforts sont actuellement effectués depuis plusieurs années pour les surmonter et le travail de cette thèse s’inscrit dans cette démarche. L’objectif de ce travail est de proposer des solutions dans le domaine de la commande et de l’optimisation de la consommation énergétique du système de gestion du confort thermique pour des véhicules électrifiés, tout en assurant le niveau de prestation souhaité.

L’histoire des véhicules électriques remonte aux années 1830, avec des essais expérimentaux de moteurs électriques montés sur des chariots. Les premiers transports utilisant cette technologie ont été des locomotives et tramways. Même si l’on note quelques tentatives pour produire des voitures électriques, elles ont dû attendre le développement des batteries vers la fin du XIX siècle pour devenir crédibles.

Ces voitures ont représenté une rupture dans la façon de se déplacer, mais leur autonomie restait très limitée. Dès lors, l’introduction du premier véhicule à moteur thermique en 1908 (le Ford T) a permis de remédier à ce problème.

Dans les années 1920, on comptait déjà plusieurs centaines de milliers de voitures électriques vendues. Cependant, l’amélioration des véhicules à moteur thermique, ainsi que la baisse des prix du pétrole, ont garanti le succès de ces véhicules à moteur thermique comparativement à la motorisation électrique. De plus, l’expansion des véhicules à moteur thermique a été soutenue par la révolution industrielle.

En conséquence, les véhicules électriques ont été longtemps oubliés par la plupart des constructeurs automobiles (en dépit de certaines tentatives de les réintroduire sur le marché). Jusqu’à présent, ces véhicules n’ont jamais réussi à prendre le dessus sur le marché mondial de l’automobile par rapport à ses concurrents à moteur thermique. Récemment, les normes relatives à l’émission de polluants, ainsi que la forte diminution des réserves pétrolières dans le monde, le développement des batteries lithium, permettent d’envisager les véhicules électriques comme des candidats potentiels pour remplacer ceux à moteur thermique.

Il parait dès lors réaliste d’envisager un nouvel essor des véhicules électriques et hybrides, encouragé par plusieurs gouvernements dans le monde. Par exemple, (Mosquet & Gerrits, 2011) projettent pour 2020 que les véhicules électrifiés occuperont 28 à 31% des ventes totales de voitures en Europe et 10 à 15% des ventes en Amérique du Nord. Cela explique que les plus importants constructeurs automobiles ont inclus récemment des véhicules électrifiés dans leurs gammes respectives.

GAMME ZÉRO EMISSION

Le constructeur automobile Renault poursuit depuis 1995 une politique respectueuse de l’environnement, incluant diverses stratégies minimisant l’impact sur l’environnement de ses véhicules dans toutes les phases de vie.

Depuis 2008, Renault a mis en place une forte stratégie de marché cherchant à produire des véhicules garantissant la non-production d’émissions nocives à l’environnement. Ainsi, dans cette gamme Zéro Emissions (Z.E.) que l’entreprise a lancée sur le marché, figurent quatre véhicules complétement électriques pour 2012 : Kangoo Z.E., Fluence Z.E., Twizy et Zoé (Figure 1.1).

Figure 1.1. Kango Z.E (haut-gauche), Fluence Z.E. (haut-droite), Twizy (bas-gauche) et Zoé (bas-droite). [Source : Site Renault]

Même si ces quatre véhicules ne sont pas les premières voitures électriques que cette marque a développées, ils correspondent à ses premiers « véhicules série » ayant pour objectif de remplacer les concurrents thermiques au fur et à mesure. En effet, les innovations développées dans cette gamme de véhicules permettront dans l’avenir d’« électrifier » d’autres véhicules existants de la marque (comme c’était déjà le cas de la Fluence et la Kangoo), ainsi que de produire des véhicules complétement nouveaux conçus comme un véhicule électrique à part entière et non comme un véhicule thermique modifié pour s’adapter et inclure une motorisation électrique.

LE PROBLÈME PERSISTANT DE L’AUTONOMIE DE LA BATTERIE

Dans les véhicules électriques (utilisant une batterie comme source énergétique), le rendement d’énergie utilisée par rapport à l’énergie consommée est largement supérieur à celui d’un moteur thermique. En dépit de cela, la capacité de stockage d’énergie dans cette classe des voitures électriques est très inférieure à ses concurrents thermiques1. Cela explique que l’autonomie de la batterie reste l’une des problématiques principales de ces véhicules.

En effet, l’autonomie de la batterie semble être depuis longtemps l’une des principales barrières pour les acheteurs potentiels de ces véhicules, ainsi que les temps de recharge (Chéron & Zins, 1997). Ces deux facteurs pris ensembles rendent ces véhicules peu efficaces pour de longs trajets, par exemple, dans un parcours entre deux villes distantes2.

Pour résoudre le problème de la recharge, des stratégies incluant l’utilisation de bornes spéciales « haute puissance », ainsi que le remplacement de batteries vides pour des batteries pleines (« quick drop ») sont développées. Parallèlement, le problème de l’autonomie est abordé avec deux types de stratégies : celles visant à stocker plus d’énergie3 dans la batterie et celles visant à réduire la consommation énergétique des différents organes (particulièrement ceux non liés au groupe motopropulseur).

Table des matières

Nomenclature et Avant-Propos
Indices
Notations
Avant-Propos
Introduction
1 Contexte des Véhicules Electriques
1.1 Gamme Zéro Emission
1.2 Le problème persistant de l’autonomie de la batterie
2 Motivation
2.1 Le confort thermique
2.1.1 Le confort des passagers
2.1.2 Systèmes thermiques utilisés dans les véhicules à moteur thermique
2.1.3 Systèmes thermiques utilisés dans les véhicules à moteur électrique
3 Structure de la thèse
Systèmes à Compression de Vapeur
1 Introduction
2 Fonctionnement
3 Classification des Systèmes
4 Principaux Organes
4.1 Compresseur
4.1.1 Généralités
4.1.2 Types de compresseur
4.2 Détendeur
4.2.1 Généralités
4.2.2 Types de détendeur
4.3 Échangeurs de chaleur
4.3.1 Généralités
4.3.2 Types d’échangeurs de chaleur par rapport à leur positionnement
4.3.3 Types d’échangeurs de chaleur par rapport à leur architecture / technologie
4.4 Réfrigérant
4.4.1 Généralités
4.4.2 Types de réfrigérant
4.5 Éléments additionnels.
4.5.1 Vannes et Tuyaux
4.5.2 Accumulateur/Réservoir
4.5.3 Pompes et ventilateurs
4.5.4 Boucles thermiques externes (à eau)
5 État de l’Art : Modélisation et Commande des Systèmes à Compression de Vapeur
5.1 Modélisation thermique
5.1.1 Les fluides
5.1.2 Le compresseur et le détendeur
5.1.3 Les échangeurs de chaleur
5.2 Techniques pour la modélisation orientée commande et la commande
5.2.1 Modèles du premier ordre / non-physiques
5.2.2 Modèles du premier ordre / physiques
5.2.3 Modèles « boîte noire »
5.2.4 Modèles physiques à paramètres localisés
5.2.5 Modèles physiques à frontière mobile
5.2.6 Modèles à volume fini discrétisés
6 Description du système
7 Conclusion du chapitre
Modélisation des Systèmes Thermiques
1 Introduction
2 Démarche générale pour la Modélisation
2.1 Pompe à Chaleur
2.1.1 Besoins et démarche
2.1.2 Hypothèses
2.1.3 Approche Semi-Physique
2.2 CTP
2.3 Habitacle
2.3.1 Besoins et démarche
2.3.2 Hypothèses
2.3.3 Approche Physique
2.4 HVAC
2.4.1 Généralités
2.4.2 Architecture
2.4.3 Modélisation
3 Identification et validation des paramètres
3.1 Essais disponibles
3.2 Stratégie d’identification et validation
3.2.1 Analyse des résultats
3.2.2 Définition d’un plan d’essais pour d’autres systèmes similaires
4 Conclusion du chapitre
Commande d’une Pompe à Chaleur
1 Introduction
2 Modélisation pour la commande
2.1 Définition des scénarios pour la commande
2.2 Linéarisation du modèle complèt de la PAC
3 Synthèse de la loi de commande : Cahier de charges
4 Commande en Régime du Compresseur
4.1 Réglage d’un régulateur PI
4.2 Structure pour la prise en compte de contraintes
4.2.1 Régulateur PI modifié
4.2.2 Régulateur 􀜪􀮶.
4.2.3 Sensibilité de l’approche entre l’erreur sur la température de l’air et le depassement des
contraintes
4.2.4 Discrétisation des correcteurs
4.3 Résultats en simulation MIL
5 Pilotage du groupe motoventilateur (GMV)
5.1 Régulation de la vitesse du GMV de façon proportionnelle au régime compresseur.
5.2 Régulation de la vitesse du GMV D’un point de vue débit minimum
5.3 Validation des algorithmes
6 Conclusion du chapitre
Supervision / Optimisation Energétique
1 Introduction
2 Définition du problème
2.1 Objectif de la supervision
2.2 Problématique hybride
3 Optimisation hors–ligne
3.1 Domaine de recherche : contraintes de la commande et de l’état du système
3.2 Hypothèses de modélisation
3.3 Modélisation simplifiée
3.3.1 Modélisation en temps continu
3.3.2 Modélisation en temps discret
3.4 Définition du problème
3.5 Sensibilité des paramètres
3.5.1 Coefficient de Pondération
3.5.2 Horizon / pas d’échantillonnage
3.5.3 Taille du système
3.6 Résultats de la simulation MIL
3.7 Autres Problématiques
3.7.1 Positionnement des CTP
3.7.2 Air recyclé
4 Optimisation en–ligne
4.1 Propositions pour une solution temps réel
4.1.1 Adaptation des Résultats hors-ligne
4.1.2 Algorithme en-ligne
4.2 Résultats de la simulation MIL
5 Conclusions du chapitre
Conclusions et Perspectives
1 Conclusion Générale
2 Perspectives
Annexes et Bibliographie
Annexe A : Méthodes pour l’estimation de la Puissance Thermique Echangée dans les Echangeurs de Chaleur
Méthode DTLM
Méthode d’efficacité-NUT
Annexe B : Modèle linéaire pour la Commande
État 1 : Régime du compresseur.
État 2 : Pression du réfrigérant sortant du compresseur
État 3 : Température du réfrigérant sortant du compresseur
État 4 : Température de l’eau entrant à l’aérotherme
État 5 : Pression du réfrigérant sortant du détendeur
Bibliographie