Graphes de liens causaux pour systèmes à énergie renouvelable (partie 1)

Les graphes de liens, plus connus sous leur appellation anglaise de « Bond Graph » (« BG ») ont été introduits par H. Paynter en 1961 et formalisés par Karnopp et Rosenberg en 1975. Cette méthodologie est entrée en Europe à la fin des années 1970 par les Pays-Bas (université de Twente), puis la France via la société Alsthom. L’outil « bond graph » est maintenant régulièrement utilisé dans de nombreuses entreprises, en particulier dans l’industrie automobile (PSA, Renault, Ford, Toyota, General Motors...), mais pénètre également l’aéronautique (Airbus) ou l’électrochimie (Hélion). À l’université, les BG sont de plus en plus communément enseignés, comme dans les INSA de Lyon et Toulouse, à l’École centrale de Lille ou à l’ENSEEIHT de Toulouse où se situe le groupe de recherche Énergie électrique et Systémique du LEEI.

Le BG causal est un outil interdisciplinaire par nature, véritable « esperanto » de la physique macroscopique et énergétique, puisqu’il repose sur une représentation unifiante, par analogie, des échanges de puissance quel que soit le domaine dans lequel on se situe.

Il offre une vision graphique très structurée, en ce sens qu’il établit des règles allant de la construction de modèles à leur mise en équation, ce qui permet de guider le concepteur dans la démarche souvent complexe de modélisation puis d’analyse. En tant que « modèle de conception », il est l’intermédiaire entre « modèles de connaissance » basés sur une représentation fine des phénomènes physiques (modèles types « calcul des champs »...) et « modèles comportementaux » orientés commande (modèles « boîte noire »). Il repose sur une représentation à constantes localisées des phénomènes de transferts énergétiques, pour lesquels il offre la possibilité d’évoluer progressivement vers une granularité (finesse de représentation) de plus en plus fine, selon les hypothèses simplificatrices consenties en regard des objectifs de conception. En ce sens, il permet de rechercher le « modèle juste assez précis » pour le niveau d’analyse visé (« chaque chose doit être aussi simple que possible mais non simpliste » selon A. Einstein).

L’importance primordiale des relations de cause à effet, graphiquement représentées dans le BG « causal », garantit l’assemblage cohérent d’éléments, révèle les couplages intervenant au sein du système et offre des possibilités intéressantes en termes d’analyse : cet ensemble de caractéristiques en fait donc un outil de conception complet et efficace, véritable support de l’approche systémique.

L’objectif de cet exposé est bien de montrer l’ensemble de ces facultés et de donner des informations pratiques dans le domaine des systèmes électriques à énergies renouvelables et des nouvelles technologies de l’énergie en deux dossiers complémentaires [D 3 970] et Graphes de liens causaux pour systèmes à énergie renouvelable (partie 2).

Ce premier dossier traite de dispositifs de conversion et/ou de stockage d’énergie électrique utilisés dans les systèmes à énergies renouvelables.

Le deuxième traite, plus particulièrement, de dispositifs et de systèmes à énergies renouvelables.

Le lecteur pourra trouver des développements plus complets sur l’outil lui-même et ses applications dans la « mécatronique » dans la collection des Techniques de l’Ingénieur [S 7 222]. De même, des développements intéressants relatifs aux BG en électronique de puissance se trouvent dans Utilisation des graphes de liens en électronique de puissance.