Problématique du contrôle des véhicules hybrides

Après un débat de plusieurs années sur la présence – ou non – d’un réchauffement climatique, la plupart des experts s’accordent à dire que la température de la terre augmente bel et bien. Cette augmentation est directement liée aux gaz à effet de serre. Parmi les gaz responsables de l’effet de serre, effet qui tend à conserver la chaleur issue des rayons du soleil, le CO2 a vu sa concentration augmenter de 30% depuis 1750, tandis que le méthane a augmenté de 150%. C’est pourtant le CO2 qui constitue le principal contributeur parmi les gaz à effet de serre, celui-ci étant clairement lié aux activités humaines : ses émissions proviennent à 90% de la combustion des énergies fossiles (produits pétroliers, charbon, gaz naturel), et en particulier à 34 % du secteur des transports, qui reste le premier secteur en terme d’émissions de gaz à effet de serre. Le CO2 n’est cependant pas un gaz polluant qui joue sur la qualité de l’air : il contribue à l’effet de serre, mais n’est pas dangereux pour l’homme.

Dans le secteur des transports, la combustion des produits pétroliers dans les moteurs à combustion rejette plusieurs gaz polluants, dont trois sont particulièrement nocifs pour l’homme :
1. le monoxyde de carbone (CO) : il réduit la capacité du sang à transporter l’oxygène. Il est produit suite à une combustion incomplète du carburant généralement due à un manque d’oxygène dans le mélange, ce phénomène touchant bien plus les moteurs à essence que les moteurs Diesel.
2. les hydrocarbures imbrûlés (HC) : ils sont, pour certains d’entre eux, cancérigènes, et apparaissent lors d’une combustion incomplète. Bénéficiant d’une combustion plus complète, les moteurs Diesel sont encore les plus propres sur ce point.
3. les oxydes d’azote (NOx) : ces gaz réagissent dans l’atmosphère pour former du dioxyde d’azote générant troubles respiratoires, maux de tête et participant à la formation de smog, d’ozone de surface et de pluies acides. Jusqu’à présent, les moteurs Diesel rejettent une quantité de NOx environ sept fois supérieure aux motorisations essence.

Les particules rejetées par les moteurs thermiques sont aussi très nocives pour l’homme : elles pénètrent dans les poumons, et peuvent provoquer de nombreuses maladies respiratoires et cardiovasculaires. Principalement rejetées par les moteurs Diesel, elles sont en majeure partie captées par les filtres à particules. Cependant, selon certaines études, ces derniers parviendraient à supprimer effectivement une grande quantité de particules, mais relâcheraient en contre-partie des particules plus fines, qui rentreraient plus profondément dans les poumons. Afin de limiter les rejets de particules et de gaz nocifs des véhicules, des normes européennes limitant les émissions de polluants sont entrées en vigueur dès 1988, évoluant à quatre reprises depuis cette date : les normes d’émission Euro. Ces normes obligent les constructeurs à améliorer leurs véhicules, en imposant des seuils maximaux d’émission de gaz polluants pour les véhicules neufs.

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 . 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.

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.

Les véhicules hybrides en France

Depuis quelques années, le marché des véhicules hybrides s’est largement développé. Bien que les constructeurs – notamment français – soient encore timides quant au nombre de modèles proposés, on voit régulièrement présentés des prototypes de véhicules hybrides lors des salons automobiles. Sur le marché français, on compte aujourd’hui quatre modèles disponibles à la vente:

• La Honda Civic IMA (Integrated Motor Assist) est sortie en France en 2004, suite à la présentation de la Honda Insight au salon de Francfort de 1999. Son système IMA lui permet de disposer de l’assistance du moteur électrique lors des demandes importantes de puissance, de récupérer de l’énergie aux freinages, et de profiter du Stop-and-Start à l’arrêt. C’est donc une architecture micro-hybride.
• La Toyota Prius. Sortie en décembre 1997 au Japon, puis en 2000 aux USA et en Europe, la Prius fut le premier véhicule hybride de série. C’est aujourd’hui le véhicule hybride le plus connu dans le monde, et aussi le plus vendu : à ce jour, plus d’un million de Prius ont été vendues à travers le monde. L’originalité de l’architecture de la Prius provient de son train planétaire, ou train épicycloïdal. Celui-ci permet de choisir librement la puissance fournie par le moteur thermique, le surplus de puissance (par rapport à la demande du conducteur) étant alors absorbé par la génératrice.
• La C3 Stop-and-Start est sortie en France en 2004. Équipée d’un alterno-démarreur lui permettant de couper le moteur lors des embouteillages (système Stop-and-Start), elle était toutefois incapable de profiter du freinage récupératif et de la régénération par le moteur thermique. D’un prix de vente de 15350 euros, ce véhicule n’a pas eu le succès escompté, le dispositif Stop-and-Start n’étant disponible que sur les véhicules équipés d’une boîte mécanique robotisée Sensodrive, alors que les français restent en général attachés aux boîtes de vitesse manuelles, son prix était de plus jugé trop élevé.
• La Lexus RX400H. Ce véhicule possède une traction intégrale grâce à ses deux moteurs électriques. A l’avant, on trouve un moteur électrique avec une génératrice pour la récupération d’énergie, ainsi qu’un moteur thermique. Ceux-ci sont liés avec un train planétaire, suivant le même schéma que la Toyota Prius. A l’arrière, un second moteur électrique permet d’entraîner les roues arrières, sans liaison mécanique entre les deux essieux. Le surpoids des batteries est ainsi compensé par la disparition de la transmission. En cycle mixte, les émissions de CO2 sont de seulement 192 g/km, pour une consommation de 8.1 l/100km, contre 262 g/km et une consommation de 9.9 l/100km pour un modèle de même catégorie, la Volkswagen Touareg V6 3.0 TDI. Le prix de cette Lexus réserve néanmoins ce véhicule hybride aux clients les plus fortunés, le modèle de base se situant à un prix dépassant les 50000 euros.

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Table des matières

Introduction
1 Problématique du contrôle des véhicules hybrides
1.1 Les différentes architectures hybrides
1.1.1 Les modes de fonctionnement
1.1.2 Architecture parallèle
1.1.3 Architecture micro-hybride
1.1.4 Architecture série
1.1.5 Architecture combinée
1.1.6 Autres architectures
1.1.7 Les véhicules hybrides en France
1.2 La problématique de contrôle optimal
1.2.1 Minimisation de la consommation de carburant sur cycle normalisé
1.2.2 Problème en temps-réel où le futur n’est pas connu
1.3 Définition des classes de problèmes d’optimisation étudiés
2 Étude théorique de la solution d’un problème générique de commande optimale
2.1 Conditions d’optimalité en l’absence de contraintes sur l’état
2.2 Conditions d’optimalité en présence de contraintes sur l’état
2.3 Étude de problèmes académiques
2.3.1 Recherche d’une solution pour un problème simple du type (1.1)
2.3.2 Recherche d’une solution pour un problème simple du type (1.2)
3 Méthodes numériques
3.1 Méthode directe : optimisation non-linéaire sous contraintes
3.1.1 Résolution numérique
3.1.2 Paramétrisation simplifiée du contrôle (découpage par zones)
3.2 Méthodes de tir
3.2.1 Méthode de tir simple
3.2.2 Méthode de tir multiple
3.3 Approche par l’équation de Hamilton-Jacobi-Bellman
3.3.1 Equation de Hamilton-Jacobi-Bellman et fonction valeur
3.3.2 Programmation Dynamique
3.3.3 Méthode de résolution
3.3.4 Commentaires sur la méthode de programmation dynamique
3.3.5 Résolution du problème (1.2) avec la programmation dynamique
3.4 L’algorithme SCOP
3.4.1 Principe
3.4.2 Description de la méthode
3.4.3 Exemple sur un cas simple
3.4.4 Commentaires sur la méthode SCOP
3.4.5 Application aux véhicules hybrides
3.4.6 Etude de convergence de SCOP
3.4.7 Perspectives
4 Application sur un véhicule Citroën C1 hybridé
4.1 Objectifs
4.2 Modèles utilisés pour l’optimisation hors-ligne
4.2.1 Véhicule
4.2.2 Batterie
4.2.3 Moteur électrique et convertisseur
4.2.4 Moteur thermique
4.3 Critères et variables d’optimisation
4.4 Impact des fonctionnalités de l’architecture
4.4.1 Véhicule conventionnel
4.4.2 Résultats sur le cas de référence
4.4.3 Résultats d’une hybridation partielle
4.4.4 Résultats d’une hybridation partielle et sans Stop-and-Start
4.4.5 Impact de la récupération au freinage
4.5 Impact de la taille des éléments
4.5.1 Impact de la puissance du moteur électrique sur la consommation
4.5.2 Impact de la variation de la capacité de la batterie
4.6 Conclusion
5 Stratégies temps-réel pour véhicules hybrides
5.1 Stratégies de commande temps-réel
5.1.1 Lois empiriques
5.1.2 Réseaux de neurones
5.1.3 ECMS
5.2 Comparaison optimisation hors-ligne / lois temps-réel
5.3 Perspectives
Conclusion

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