Problématique du contrôle des véhicules
hybrides

Les différentes architectures hybrides

Par définition, un véhicule hybride est un véhicule dans lequel sont intégrées deux sources d’énergie différentes, typiquement 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 n’est pas directement lié aux roues, • Les hybrides combinés, dont l’architecture reprend les caractéristiques des hybrides série et parallèle. On décrira aussi dans ce chapitre l’architecture micro-hybride, puisque cette architecture correspond à celle du véhicule qui est étudié dans le Chapitre 6. 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. 

Les modes de fonctionnement

 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, lorsque le moteur thermique n’est pas utilisé pendant plusieurs secondes. En contrepartie, une faible quantité d’énergie électrique est utilisée à chaque démarrage pour ramener le moteur à son régime de ralenti. 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 (demandé par le conducteur). L’énergie provenant du moteur électrique est ensuite stockée dans les batteries, afin d’être réutilisée ultérieurement. 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 énergie électrique, qui est ensuite stockée. Problématique du contrôle des véhicules hybrides Chapitre 1. Problématique du contrôle des véhicules hybrides 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 demande de couple, lorsque le moteur thermique développe un couple insuffisant par rapport au couple de consigne. 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 supercapacité), 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. 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 desraisons de rendement (par exemple, lors d’un trajetsur autoroute, pour lequel le moteur thermique est utilisé à un bon rendement), ou bien parce que la batterie est déchargée. 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 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.

Architecture parallèle 

Dans la configuration parallèle, les moteursthermique 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.   1.1 Les différentes architectures hybrides FIG. 1.1: Schéma de principe de l’architecture hybride parallèle. 

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. Remarque 1.1.1. Les véhicules munis du Stop-and-Start, et n’exploitant pasla régénération parfreinage récupératif ou par moteur thermique, peuvent ou non être considérés comme des véhicules hybrides en tant que tels. En effet, s’ils sont munis d’un moteur électrique pour l’entraînement du moteur thermique (dont la puissance est supérieure à celle d’un démarreur classique), le moteur électrique ne participe pas, en revanche, à la traction « hybride » du véhicule. Cette question de l’appartenance – ou non – des véhicules uniquement munis du Stop-and-Start au monde des véhicules hybrides a été abordée par [Scordia, 2004], et ne sera pas traitée ici. 17 Chapitre 1. Problématique du contrôle des véhicules hybrides FIG. 1.2: Schéma de principe de l’architecture micro-hybride. 

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. 

Architecture combinée 

La catégorie des architectures combinées correspond aux hybrides série/parallèle, dont la Toyota Prius fait partie. 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. 

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. Parmi les 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 (Electronic Stability 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.