Système hybride pour les véhicules électriques

Les véhicules électriques (V Es) se présentent comme des véhicules écologiques pour l’environnement (zéro émission). Cependant, cette solution a divers défis à surmonter afin de se rapprocher des véhicules conventionnels du point de vue autonomie. Concernant l’autonomie, les batteries actuelles possèdent un temps de recharge qui est très long, une dégradation qui dépend de plusieurs facteurs (froid, nombre de cycles de charge/décharge, profondeur de décharge, etc.) et une durée de vie réduite [8]. Afin de s’approcher des véhicules classiques, l’ hybridation apparait comme solution pour produire de l’énergie électrique, rechargeant ainsi les batteries lorsqu’elles sont en train de se décharger. L’hybridation est alors l’ajout d’une deuxième source d’énergie avec les batteries dans le véhicule. Les critères de choix de cette deuxième source d’énergie sont le coût d’achat, la résistance dans les conditions climatiques (hivernales, estivales) et les émissions polluantes. Le système de piles à combustibles se présente donc comme une solution intéressante. Elles ne produisent pas des émissions polluantes (zéro émission) et le rendement de ce système peut atteindre 60% comparé à d’autres systèmes. Néanmoins, plusieurs recherches sont en cours [9-12], pour remédier à des difficultés techniques tels que le démarrage à froid de la pile à combustible lorsque la température est inférieure à O°C. À ce jour, la pile à combustible ne supporte pas les variations rapides de charge qui entraînent une dégradation forte dans le système.

Une étude comparative [5] des véhicules électriques hybrides à piles à combustible (VEHPC) et avec un véhicule conventionnel montre une augmentation de 30% du prix total du VEHPC par rapport au véhicule traditionnel malgré les avantages et les rabais offerts pour ce type de véhicules. En outre, le prix de la pile à combustible représente 24% du prix du véhicule traditionnel qui reste un inconvénient dans la commercialisation de ces véhicules. D’ autre part, les groupes électrogènes figurent comme une solution d’ hybridation qui utilise l’ essence, le Diesel ou l’hydrogène comme carburant moins polluant. Ces groupes présentent un rendement inférieur à celui obtenu par les piles à combustible, en plus de générer des taux d’émissions polluantes, mais les avantages sont au niveau du coût réduit comparé à la pile à combustible et de ne pas présenter de problèmes dans des conditions hivernales ou estivales. Aussi, les termes de puissance massique et la quantité d’énergie massique qui diffèrent d’un système à un autre sont à considérer. La figure 2.1 permet de différencier chaque solution par ses caractéristiques. Les piles à combustible et les groupes électrogènes possèdent une grande quantité d’ énergie massique, ce qui permet de charger les batteries pendant une longue période, mais, ne peuvent pas délivrer de grandes puissances. Les super condensateurs, quant à eux, possèdent une grande puissance massique qui peut servir à supporter les pics de puissances demandés par le moteur électrique du véhicule pour une période de temps très limité. Des recherches sont en cours pour exploiter les piles à combustible et les super condensateurs ensemble d’un VEH pour bénéficier des deux avantages de système [13]. Cependant, cette solution reste toujours dispendieuse pour la commercialisation de cette architecture.

Architectures des véhicules hybrides à base des groupes électrogènes

Les VEHs sont différenciés par la source d’ énergie ajoutée (génératrice, pile à combustible, MCI, etc.) et la méthode de branchement de cette source avec les batteries. Emadi et al, ont travaillé sur la topologie des véhicules et ont défini trois solutions qui figurent comme suit [15, 16] :

• V éhicules hybrides séries : le moteur thermique joue un seul rôle qui est la production du mouvement mécanique pour alimenter la génératrice. La puissance délivrée par la génératrice sert à recharger les batteries. Lorsque la batterie atteint un niveau minimal, le moteur à combustion s’allume pour entraîner la génératrice afin de recharger les batteries. La puissance stockée dans les batteries alimente directement le moteur électrique de propulsion après avoir converti le courant continu (CC) en courant alternatif (CA). La flèche représentée dans la figure 2.2 montre le transfert de puissance. Dans cette topologie, la génératrice est seulement responsable pour la recharge de la batterie afin de la faire fonctionner à son rendement maximal. Par contre, la batterie est le seul organe qui supporte la puissance demandée par le moteur de propulsion.

• V éhicules hybrides parallèles: à travers cette configuration, la puissance mécanique donnée à l’ entrée du système de transmission mécanique peut être parvenue par le moteur à combustion interne ou bien le moteur électrique alimenté par la batterie telle qu’ elle est représentée dans la figure 2.3. Le système de couplage permet de transmettre le mouvement mécanique des deux sources vers le système de transmission. La stratégie la plus utilisée dans cette configuration en parallèle est la suivante: pendant une demande de faible puissance, la consigne est donnée au moteur électrique, alors que, pour la forte puissance, elle est donnée au moteur thermique. Lorsque le moteur thermique est en cours d’ utilisation, le moteur de traction peut fonctionner comme une génératrice et recharger la batterie qui est un avantage important

Mélange hydrogène-combustible foss ile

De nombreuses études ont discuté l’ apport de mélanger l’hydrogène avec les combustibles fossiles dans Je MCI sur J’ efficacité thermique et la réduction du taux d’émission qui nécessitent des modifications au niveau du système d’ injection afin de rendre le MCI fonctionnel en mode bi-combustible [21]. L’hydrogène pur réduit le niveau de HC et de CO d’environ 94,7% et 99,5% simultanément dans des conditions de démarrage à froid par rapport à l’essence pure [22]. Le mélange hydrogène-essence est utilisé pour fournir des charges faibles et moyennes pour bénéficier d’un meilleur rendement thermique et réduire les émissions, tandis que les charges élevées sont données par l’essence pure. Park et al [23] ont mené une étude expérimentale pour observer l’impact de l’ajout d’hydrogène avec le gaz naturel sur un moteur de 6 cylindres pour un bus urbain. L’augmentation du taux d’hydrogène améliore l’efficacité du MCI ainsi qu’une stabilité de la combustion a été remarquée. L’ajout de 30% et 40% d’hydrogène diminue les émissions de NOx respectivement d’environ 67% et de 84% en comparaison des opérations de gaz naturel pur dans les conditions de la meilleure efficacité. Baris et al [24] présentent une étude expérimentale sur l’ajout de l’hydrogène avec le méthane (CH4) pour plusieurs mélanges

. Cette combinaison des deux carburants permet de bénéficier des avantages de chacun des carburants ainsi que d’ éliminer les inconvénients et les faiblesses en même temps. Les moteurs diesel sont testés afin de visualiser l’impact de l’ajout de l’hydrogène. Les résultats expérimentaux ont démontré que le rendement thermique du frein moteur, calculé à partir de la puissance de freinage du moteur, a été amélioré de 15% après addition d’hydrogène à 75% de charge. Les émissions de fumée, de CO et C02 ont été considérablement réduites pour le moteur diesel enrichi en hydrogène. Les émissions de NOx du moteur diesel à hydrogène mixte étaient pratiquement les mêmes que celles du moteur diesel pur [25] [26]. C. Ji et S. Wang [27] [28] ont étudié la combustion d’un moteur thermique travaillant avec l’essence qui a une tendance à souffrir d’une mauvaise combustion dans les conditions de ralenti et les faibles charges. Dans ces conditions, l’hydrogène présente de bonnes combustions et permet aussi une augmentation de l’efficacité [29]. À haut régime, cependant, l’hydrogène ne peut pas supporter ces charges. L’ essence intervient donc grâce à sa densité énergétique volumétrique la plus forte parmi tous les combustibles. Ces études se basent essentiellement sur des expériences réalisées sur des bancs expérimentaux qui permettent de contrôler et de mesurer toutes les variables du système. Shivaprasad,k.V s’ intéresse [30] à l’ addition d’hydrogène avec l’ essence dans un moteur à un seul cylindre telle que sa puissance maximale qui est de l’ordre de 9 kW pour une vitesse de rotation de 4400 RPM, et un couple maximale de 20,2 Nm à 2800 RPM. Plusieurs essais sont effectués sur l’ influence de l’ ajout de l’ hydrogène avec l’ essence. Les prochains paragraphes présentent les résultats trouvés pour mieux comprendre l’ effet de l’hydrogène sur chaque paramètre de sortie tel que le rendement du MCI, du NOx, des HCs et du CO.

Modèle en ligne de la génératrice

Afin de valider le modèle en ligne, plusieurs essais ont été effectués sur le banc d’ essai présenté dans la figure 3.2. Ces expériences sont réalisées par la variation des paramètres d’ entrée du groupe électrogène (n, PG, CHz -ESS) et par la suite, visualisées en termes de différence entre les valeurs du rendement données par le modèle MCRen ligne et les valeurs mesurées. La figure 5.3 montre le profil de chargement de chaque paramètre d’ entrée. Trois paliers de vitesse de rotation RPM sont sélectionnés et à chaque fois, la puissance à délivrer ainsi que le pourcentage de chaque combustible est varié afin de visualiser le comportement de la génératrice pour différents régimes. À travers le cycle de chargement précédemment illustré, la figure 5.4 (a) montre une comparaison entre les valeurs de l’efficacité mesurées, les valeurs calculées à partir du modèle MCRen ligne et les valeurs trouvées par la méthode de MCRhors ligne. En effet, la différence entre les deux approches est au niveau des paramètres du modèle. La méthode hors-ligne se base sur une base de données collectée à partir des essais antérieurs du système qui ne change pas en fonction du temps lors du fonctionnement de la génératrice. Par contre, la méthode en ligne utilise sur une base de données initiale au démarrage.

Après le démarrage de la génératrice, cette base donnée sera mise à jour lorsqu’il aura un rendement supérieur à celui existant dans la base de données. La figure 5.4 (b) indique l’erreur relative entre les deux modèles paramétriques. Une erreur maximale de 37,56% est donnée par le modèle horsligne qui démontre que la génératrice change rapidement son comportement même si la base de données initiale rassemble tous les régimes de fonctionnement. Par contre, une erreur relative maximale de 6,93% par la méthode en ligne démontre sa capacité à mieux suivre le comportement de la génératrice et permet l’adoption de ce modèle. Pour assurer l’adoption du modèle, une comparaison a été effectuée par l’utilisation de l’approche du réseau de neurones artificiel (RNA). Le RNA est une approche applicable dans différents domaines qui permet de modéliser un système par une collection des données des entrées et des sorties. Dans cette étude, les essais effectués dans la partie de la cartographie ont servi à l’entrainement, la validation et le test du bloc de RNA. Sept couches cachées qui prennent comme les entrées n, ‘PG et CHz -ESS avec une couche de sortie qui représente l’efficacité de la génératrice. La figure 5.5 (a) représente la différence entre les deux modèles (RLS en ligne et RNA) et les valeurs mesurées. Les deux modèles suivent correctement l’efficacité de la génératrice pour le même cycle de chargement (figure 5.3). Une comparaison au niveau de l’erreur relative est représentée dans la figure 5.5 (b). L’erreur relative maximale du modèle RNA est de 8,76% qui est proche à celle-ci obtenue par le modèle MCRen ligne. Cependant, la cause principale pour le choix de modèle MCRen ligne dans cette étude est l’aspect en ligne.