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RÉSUMÉ
Les transports routiers utilisant l’énergie fossile sont responsables d’une partie des émissions de gaz à effet de serre. Le véhicule hybride représente une solution à court et moyen terme pour diminuer ces émissions. En revanche, la complexité de leur constitution (multiplicité des sources et des conversions d’énergie) requiert une approche systémique pour les optimiser. Dans cet article les différents types de véhicules hybrides sont d’abord présentés. L’organisation de leurs modèles et commandes est ensuite introduite. La dernière partie se focalise sur la gestion de l’énergie avec un tour d’horizon des méthodes utilisées depuis celles basées sur des règles intuitives jusqu’aux plus évoluées.
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Road transport using fossil fuels is responsible for a significant part of greenhouse gas emissions. Hybrid vehicles represent short- and medium-term solutions for reducing these emissions. However, the complexity of their constitution (multiple energy sources and conversions) requires a systemic approach to optimize their design. In this paper, the different types of hybrid vehicles are first presented. The organization of their models and controls are then introduced. The last part focuses on energy management with an overview of the methods used, from those based on intuitive rules to the most advanced ones.
Auteur(s)
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Rochdi TRIGUI : Directeur de recherche - Université Gustave Eiffel, ENTPE, LICIT-ECO7, Lyon, France
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Alain BOUSCAYROL : Professeur des universités - Université de Lille, Arts et Metiers Paris Tech, Centrale Lille, JUNIA-Hauts-de-France, - EA 2697-L2EP, Lille, France
INTRODUCTION
La croissance économique et sociale a été longtemps associée à la performance des divers moyens de transport. Pour le transport terrestre, les différents secteurs de la mobilité (individuelle des personnes, services de transport en commun, transport de marchandise, etc.) ont profité des développements technologiques des motorisations, essentiellement thermiques, de plus en plus performantes pour se généraliser dans l’activité humaine. Cependant, basés sur une consommation d’énergie majoritairement d’origine fossile, ces mêmes moyens de transport sont associés aujourd’hui à des nuisances environnementales diverses comme le réchauffement climatique et la pollution de l’air. D’autre part, la fin annoncée des réserves de ressources fossiles remet en question la suprématie de la propulsion thermique dans les transports. Bien que le moteur thermique (essence, diesel, gaz) ait réalisé ces dernières décennies des avancées conséquentes d’efficacité et de dépollution, la recherche de motorisations alternatives introduisant une part d’électricité n’a pas cessé depuis la mise en œuvre des premiers véhicules électriques. Les solutions associant les deux types de motorisation, thermique et électrique, appelées hybrides, ont été également étudiées et développées. Visant à profiter des avantages de chaque type d’énergie, cette catégorie de véhicule permet en théorie de rendre les mêmes services de mobilité qu’un véhicule conventionnel tout en maîtrisant les nuisances environnementales notamment en zones urbaines et périurbaines. En effet, en plus d’une possibilité de fonctionner dans un mode sans émissions à l’instar d’un véhicule électrique, la seconde source, généralement à base de carburant fossile, permet de conserver une autonomie comparable à celle du véhicule thermique. Le passage d’un mode de fonctionnement à l’autre permet au véhicule hybride de s’adapter aux conditions de circulation et d’assurer ainsi une efficacité énergétique remarquable d’autant plus que les phases de décélération et de freinage s’accompagnent généralement d’une récupération de l’énergie cinétique du véhicule, pour recharger l’élément de stockage.
En revanche, la présence de plusieurs sources, et donc de plusieurs conversions d’énergie à bord, induit deux préoccupations majeures. La première est d’ordre économique et questionne sur la possibilité d’amortissement des surcoûts à l’investissement engendrés par l’ajout de composants additionnels par rapport à un véhicule thermique. La seconde est d’ordre technique et concerne la complexité de la mise en œuvre de la chaîne de traction avec une multitude de possibilités d’association, mais aussi la complexité de la synthèse de la commande qui va gérer le fonctionnement du véhicule et l’ensemble de ses composants.
C’est surtout sur ces deux aspects que les recherches de ces dernières décennies ont débouché sur l’utilisation d’une approche systémique du véhicule basée sur la modélisation. La commande de haut niveau du véhicule hybride connue également sous l’appellation « stratégie de gestion de l’énergie » s’inscrit pleinement dans cette approche qui permet de développer et comparer des stratégies par simulation avant de les tester sur un véhicule. Le réseau scientifique français MEGEVH (modélisation énergétique et gestion d’énergie des véhicules hybrides) (composé de laboratoires de recherche et d’industriels du domaine du transport) a notamment contribué à développer cette approche. Cet article décline cette démarche en présentant, dans un premier temps, les différentes architectures hybrides usuelles rencontrées et leur modélisation. La deuxième partie est consacrée à un tour d’horizon des méthodes développées dans le domaine de la gestion de l’énergie des véhicules hybrides.
MOTS-CLÉS
approche systémique hybridation multiplicité des sources d'énergie multiplicité des conversions d'énergie
KEYWORDS
systemic approach | hybridization | multiple energy sources | multiple energy conversions
DOI (Digital Object Identifier)
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1. Véhicules électriques hybrides : contexte, architecture et taux d’hybridation
Cette section a pour objectif de positionner les véhicules électriques hybrides (VEH) dans le cadre plus large des véhicules électrifiés, et d’en donner les grandes catégories.
1.1 Électrification des véhicules
Dans l’objectif d’une réduction de la pollution due au transport, de nouveaux types de véhicules sont étudiés depuis une vingtaine d’années. Dans ce cadre, le réseau scientifique national MEGEVH a coordonné certains travaux des chercheurs et industriels français sur cette thématique. On peut distinguer plusieurs véhicules routiers que l’on peut appeler « mono-source », c’est-à-dire embarquant une seule source d’énergie (figure 1 a). Un ou plusieurs convertisseurs d’énergie transforment alors l’énergie contenue dans la source en énergie mécanique délivrée aux roues motrices. Les véhicules hybrides, par contre, combinent plusieurs sources d’énergie embarquées (figure 1 b). Dans le cadre de cet article, nous limiterons à deux sources embarquées (cas le plus classique) même si des véhicules à plus de sources existent et si les concepts présentés peuvent être facilement étendus. Outre les convertisseurs d’énergie associés à chaque source, un couplage est assuré par un élément spécifique pour combiner l’énergie issue des sources.
HAUT DE PAGE
Le véhicule thermique (VT) classique possède un réservoir de carburant fossile, un moteur thermique et une transmission mécanique (figure 2). Le moteur thermique (ou à combustion interne) transforme l’énergie chimique du carburant, combinée à l’oxygène de l’air, en énergie mécanique (rotation des roues), énergie thermique (chaleur) et gaz d’échappement. La transmission mécanique adapte la rotation du moteur thermique à celle des roues. Les avantages de ce type de véhicule sont une grande autonomie (densité énergétique importante du carburant fossile) et un temps de charge très...
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BIBLIOGRAPHIE
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Motorisation hybride thermique-électrique.
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La REM, formalisme multi-physique de commande des systèmes énergétiques.
1.1 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
Réseau scientifique français MEGEVH (Modélisation Énergétiques et Gestion d’Énergie des Véhicules Hybrides et électriques)
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