ARCHYBALD - ANR 12-13 janvier 2011 V2 sans commentaires [Mode de … · 2019-04-05 · – Conception de la motorisation électrique et des électroniques de puissance ... structure

ARCHYBALD

ARChitectures HYBrides Adaptées aux véhicules Lourds à forte

Disponibilité

ARCHYBALD ARChitectures HYBrides Adaptées aux véhicules Lourds à forte Disponibilité

Sommaire– Positionnement général– Etude du besoin – Faisabilité– Faisabilité– Conception de la motorisation électrique et des éle ctroniques de

puissance– Réalisation et Essais– Simulation système– Conclusions

Porteur du Projet : B. PETITDIDIER (Nexter Systems)

Quelques données Projet retenu par l’édition 2007 du PREDIT Labellisé MEGEVH Labellisé Mov’eo (+ financement supplémentaire pour l’INRETS) Dont l’objectif est d’étudier des chaînes de tracti on hybride pour

Positionnement général

Dont l’objectif est d’étudier des chaînes de tracti on hybride pour véhicules utilitaires de plus de 20 tonnes

• Applications civiles (desserte urbaine, transport d e personne, …)• Applications militaires (transport de troupes …)

– Budget 1,8 M€ (dont 940 k€ de subventions) Début des travaux : Janvier 2008 (notification 27/0 4/08) Fin des travaux : Janvier 2012

Objectif :Objectif :promouvoir les collaborations promouvoir les collaborations

sur les VH dans la sur les VH dans la communauté françaisecommunauté française

Lille

ParisBrest

Valenciennes

LIMELIME

LTN

Positionnement national


communauté françaisecommunauté française

favoriser le développementde VH en France

Lyon

Toulouse

Belfort

LaplaceLaplaceLTE

LTN

Bordeaux

2 séminaires annuels7 thèses en cours6 industriels / 9 laboratoires

Partenaires Archybald

L2EP:– Formalisme de modélisation et de synthèse de struct ures

de commande basé sur le principe de causalité, INRETS :

– Conception et gestion du stockage d’énergie, FEMTO-ST :


FEMTO-ST :– Conception des machines à aimants et électronique

associée BATSCAP:

– Développement, production et commercialisation de batteries Lithium Methal Polymère et de supercapaci tés

NEXTER SYSTEMS (coordinateur)– Compétences en transmissions mécaniques et

électriques

MEGEVH-macro

MEGEVH-stratégie

MEGEVH-optim

Niveau théorique

MEGEVH-stockMEGEVH-PAC

ARCHYBALD2 industriels4 laboratoires3 thèses en cours

Articulation avec MEGEVH


VH no. 1 VH no. 2

Niveau application

en développementVH no. 3

3 thèses en cours

Les méthodologies au service des applications

Contexte scientifique (rappel)

Vers des véhicules de nouvelle génération, moins po lluants, plus économes en énergie, plus performants...

Véhicules hybrides « légers » Trois architectures : série, parallèle, mixte (déri vation de puissance) Deux tendances :

hybridation faible (micro-hybrid) : structure paral lèle (alterno-démarreur, ex C3)


démarreur, ex C3) hybridation forte (full-hybrid) : structure mixte ( ex Toyota Prius -

Peugeot 3008)

Véhicules hybrides « poids lourds » Deux architectures privilégiées : série et parallèl e (ex DPE6x6,

Renault Truck, ….) Limitation pour la structure mixte :

contraintes mécaniques trop importantes pour les couplages mécaniques classiques (train planétaire simple)

Couronne

Soleil

Porte-Satellites

Objectifs Archybald

Objectif : évaluer l’intérêt de VH mixtes poids lou rds avec un double train planétaire pour des applications militaires (fortes contrainte s en puissance

instantanée) pour des applications civiles (fortes contraintes e n énergie) Intérêt des deux applications cibles


même architecture de propulsion hybride même architecture de commande (gestion locale) différence dans le dimensionnement des composants différences dans la gestion globale de l ’énergie (s upervision)

Importance de l’approche méthodologique (interaction avec MEGEVH)

Innovations technologiques

Gestion de stockage multi-source (couplage batterie s / supercondensateurs)

Conception de machine électrique compacte à haut re ndement


Conception de machine électrique compacte à haut re ndement

Echanges d’énergie avec le milieu environnant (plug -in, plug-out)

Phasage

Phase 1 (subventionnée PREDIT 2007) : – Etude préliminaire

• Préciser le besoin • Evaluer les différentes architectures concurrentes• Préciser leur impact sur la consommation et les émi ssions


• Préciser leur impact sur la consommation et les émi ssions polluantes

– Simulations système– Démonstrations particulières sur verrous technologi ques

recalage des briques élémentaires de modèles

Phase 2 (non lancée) :– Etude et réalisation d'un prototype – Evaluation expérimentale et recalage modèle système

Lotissement Phase 1

Lot 1 : Définition du cahier des charges, caractéri stiques et contraintes des différents composants

Lot 2 : Etude sommaire de faisabilité et définition de l’architecture globale et des niveaux de tension, d’énergie et de puissance

Lot 3 : Conception des composants de la chaine de t raction : système de stockage d’énergie, transmission mécanique, mach ines


de stockage d’énergie, transmission mécanique, mach ines électriques

Lot 4 : Réalisation et essais des différents compos ants, le cas échéant à échelle réduite - Système de stockage d’én ergie – Machines électriques

Lot 5 : Gestion de l’énergie du véhicule lourd – Mod élisation globale intégrant les concepts définis dans le lot 3 – Optim isation globale eu égard au cahier des charges et mise au point d’une méthodologie

Application civile et militaire Cahier des charges véhicule civil - Application benn e à ordures

– Etude du profil de mission ARTEMIS400,– Utilisation hybride en phase de liaison, tout-élect rique en phase de

collecte. Cahier des charges système de stockage – Application militaire

– Pre-dimensionnement pack supercondensateurs pour dé marrage moteur thermique / véhicule en mission furtive,

– Pre-dimensionnement batterie pour assurer l’autonom ie de la mission furtive,

Lot 1 - Etude du besoin

furtive,– Choix du convertisseur de puissance d’interface en tre stockage et

réseau HT.

Cycle BOM - ARTEMIS

50

100

150Puissance (kW)Vitesse (km/h)

Phase de liaison Phase de collecte

Application civile – profil de mission


0 200 400 600 800 1000 1200-150

-100

-50

0

Temps (s)

Application Civile

Liaison Collecte

Vitesse moyenne 10.6 m/s 1.4 m/s

Vitesse max 17.3 m/s 9.3 m/s

Puissance moyenne 56 kW 5.8 kW


Puissance moyenne 56 kW 5.8 kW

Puissance max 130 kW 130 kW

Energie traction 9 MJ (2.5kWh) 6.8 MJ(1.9kWh)

Energie totale(+ récup)

3.6 MJ(1kWh)

2.9 MJ(0.8kWh)

Energie auxiliaires 0 3.9MJ (1.1kWh)

Application Militaire

140

160


DPE - Démonstrateur de Propulsion Electrique

0

20

40

60

80

100

120

140

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Co

up

le (k

Nm

)

Vitesse (km/h)

Statique

Dynamique 400m

Dynamique 40km/h

Dynamique 100m

Dynamique 20m

Bornes

Application Militaire


Char Saint CHAMOND - 1917

25 tonnes – ICE 66 Kw – 12 km/hDynamo + 2 moteurs électriques

-> Simplification de la transmission-direction+ intégration véhicule

15 tonnes – ICE 200 Kw – 70 km/h – Tout chemin- alternateur + 4 moteurs électriques dans les arbre s de roue

-> Simplification de la transmission – architecture+ Gain en volume + fiabilité

Crotale (Thomson CSF / Thales) - 1964

Architecture globale Point de départ

Brevet NEXTER sur un double train planétaire permet de grandes contraintes mécaniques dans espac e réduit doit permettre le développement de VH mixte poids l ourds

Brake

Power Split

DeviceEM1

Battery

Sup

er c

apa


Brake

Gear Box & Transmission

EM2

Internal Combustion

Engine

Battery

Fuel Tank

Sup

er c

apa

Moteur thermique

Train épicycloïdal

Coupleur hydraulique

Doubleur de gamme

Doubleur de gamme

Descente de mouvement

20 L6.8 L 8.4 L

Entrées imposées – Architecture retenue


GénératriceMoteur électrique

Carter

Entrées imposées – chaîne de traction– Architecturée autour d’un double train planétaire

1 5


Eléments Equipements Type « engrenage »

1 Génératrice Solaire

2 Satellites

3 Satellites

4 Moteur Thermique Solaire

5 Moteur Electrique Couronne

6 Roues Porte-Satellite

3 6

2

4 1 5

Lot 2 - Faisabilité

30L

Alterno-démarreur –

70 kW

15L15LTrain de Ravigneaux

30L20LCoupleur / Convertisseur hydraulique

2 x 60L2 x 30LMachine électrique

MIXTE150kWMIXTE 70kWSOLUTION

30L

Alterno-démarreur –

70 kW

15L15LTrain de Ravigneaux

30L20LCoupleur / Convertisseur hydraulique

2 x 60L2 x 30LMachine électrique

MIXTE150kWMIXTE 70kWSOLUTION

Comparaison alternodémarreur et dérivation de puiss ance

Nota: Hors refroidissement et batteries.

40L90L5LVariation totale véhicule (hors batteries)

10L30L

30L

50L-15LVariation Totale GMP2*20L2*10LConvertisseur électrique

-120L-120LBoîte de vitesses + convertisseur

170L105LAjout total GMP5L2 x 5LDoubleur de gamme

40L90L5LVariation totale véhicule (hors batteries)

10L30L

30L

50L-15LVariation Totale GMP2*20L2*10LConvertisseur électrique

-120L-120LBoîte de vitesses + convertisseur

170L105LAjout total GMP5L2 x 5LDoubleur de gamme

Lot 3 – Conception des composants

Lot 3.1 : Conception de différents composants de la chaîne à partir du cahier des charges défini dans l es lots 1 et 2 - Stockage et déstockage de l’énergie da ns les batteries et les supercondensateurs

Lot 3.2 : Conception de différents composants de la chaîne à partir du cahier des charges défini dans l es chaîne à partir du cahier des charges défini dans l es lots 1 et 2 – Transmission

Lot 3.3: Conception de différents composants de la chaîne à partir du cahier des charges défini dans l es lots 1 et 2 - Solution de motorisation et électroniq ue de puissance associée

Architecture du réseau électrique

Moteur 2 Doubleurs de gamme

Réseau DC HT 1

AC HTRéseau DC BT = 28 V

Batteries BT

AC HT

Train épicycloïdalConvertisseur

de couple

Descente de mouvement et

différentiels

Roues

Roues

AC HT

Radiateur Partie Electrique

Coupleur

Réseau DC HT 2

Convertisseur du moto-ventilateur refroidissement

DC / AC

Convertisseur Réseaux

HT-DC / BT-DC

Convertisseur du moteur réversible 2

DC / AC

Convertisseur du moteur réversible 1

DC / AC

Moteur réversible 2

Moteur réversible 1

Convertisseur des Supercapacités

DC / DC

Convertisseur des Batteries

DC / DCBMB BT

Moto-ventilateur

Convertisseur Prise extérieure

DC / AC

Convertisseur Pompe

Refroidissement

DDI


Supercapa.

BMS

Batteries HT

BMB HT

BEM

Calculateur de Gestion de l’énergie

BMB BT

Réseau AC MT EDF

Pompe refroidisst

Lot 3.1 : Stockage et déstockage de l’énergie dans les batteries et les supercondensateurs (Inrets + Batsc ap)

Civil– Batteries plomb + SuperCap


Militaire– Pas de solutions acceptables si niveau d’hybridatio n

élevée– Démarrage sur supercapacités– Boost– Couplage Batteries plomb + SuperCap à déterminer

Lot 3.2 : Transmission (Nexter - L2EP)


Lot 3.3 - Conception de la motorisation et de l’électronique de puissance associée (FEMTO-ST)

Modèle de pré-dimensionnement

Spé

cific

atio

ns

mécaniques

électriques

matériaux

encombrement

Motorisation(données géométriques et électromagnétiques)

Conception paramétrée des motorisations électriques


Modélisation éléments finis

Validation motorisation

Amélioration du modèle

• Paramétrage des calculs : (Couple, puissance, vitesse, fréquence électrique, tension de bus, densité de courant, dimensions,…)• Optimisation du rapport encombrement/performances• Comparaison de plusieurs technologies de moteurs (aimants surfaciques ou insérés)

Principe de dimensionnement des ensembles convertis seurs/machines électriques

Modèle Profilsdynamiques

Paramètres méc. de la chaîne de

traction

Profils temporels Modèle

Paramètres des moteurs électriques

Profils électriques

Paramètres du réseau électrique

Lot 3.3 - Conception de la motorisation et de l’élec tronique de puissance associée (FEMTO-ST)


Modèle dynamiquedynamiques couple et

vitesse

Modèle électromécanique électriques

Modèle de pertes électronique de

puissance

Profils des pertes

convertisseur

Modèle de pertes moteurs électriques

Profils des pertes moteurs

• Mise en place de modèles analytiques paramétrés pour évaluer les meilleures solutions (tension de réseau, loi de contrôle des moteurs, …)• Déclinaison des rendements suivant les missions• Couplage possible de ces modèles avec ceux des autres éléments dissipatifs (supercondensateurs, batteries) pour un dimensionnement optimal système global

Lot 4 - Réalisation et essais

Lot 4.1: Réalisation et essais des différents composants, le cas échéant à échelle réduite - Systè me de stockage d’énergie

Lot 4.2: Réalisation et essais des différents composants, le cas échéant à échelle réduite -Motorisation électrique

Lot 4.1: Système de stockage d’énergie


Lot 4.2: Motorisation – Transmission (L2EP)


Lot 4.2: Motorisation - Transmission

Moteur thermique


Servomoteur à courant continuM0 = 13 N.m Couple lentN = 2000 tr/min Vitesse nominaleNmax = 3250 tr/min Vitesse maximaleP = 2,72 kW PuissanceM = 16,3 kg Masse

RS 640

Lot 4.2: Motorisation - Transmission

Génératrice et Moteur électrique


Servomoteur synchrone brushless - 10 pôlesM0 = 12 N.m Couple lentN = 4000 tr/min Vitesse nominaleP = 3.18 kW PuissanceM = 8 kg MasseNX 630

Lot 4 - Réalisation et essaisLot 4.2: Motorisation – Transmission (FEMTO-ST)

Mesures de tensions/courants

Mesures detempératures

Commande moteur synchrone

Commande moteur asynchrone

Appareils de mesureArmoire électrique

Moteur synchrone7 kW

Moteur asynchrone(Charge)

Bus Ethernet

Bus CANopen (Variateur MS)

Simulateur temps réelPC portable

Lot 5 - simulation système

Étude d’un train planétaire simple Représentation ÉnergétiqueMacroscopique (REM), 9 possibilités Analyse : 3 arbres couplés,

variables de réglage (3), variables d’état (2)

Simulation du véhicule complet Gestion d’énergie et optimisation commande

T1

ICE

TICE

1T

REM de VEH avec simple train planétaire

Gestion d’énergie et optimisation commande

Extension au double train planétaire REM (36 possibilités !) Analyse : 4 arbres couplés,

variables de réglage (3), variables d’état (2)

Simulation en développement

TEM1

EM1

ΩICE

ΩICE

TEM1

TEM1

ΩEM2

T2

TEM2

TEM1-ref

ΩICE

ΩEM2

ΩEM1

2

1

T

ΩΩ

2EM

ICE

EM2

ΩEM2

TEM2-ref

TICE-ref

modélisation/gestion plus délicates


Gear Gear Box

Torque

Gear Box

R Reducer

EM 1 BATT

Brake

Gear Box

Gear Box 4 gears with

Clutch Torque

Convertor LS

SS PC RGT

Reducer +

Differential EM 2

FT

Brake

Lot 5 - simulation systèmeREM de VEH avec simple train planétaire

T T f

fEM2

ΩEM2

TEM2

JEM2

ΩEM2

Tx

JEM1

TR

TEM1 fEM1

ΩR

ΩEM1

TPC

ΩEM1

Ty

Ω LS

TLS

PC

R

LS

k3

k1

k2

Gearbox 1

Gearbox 2

Gearbox 3 Fbrake

v

EM 2

EM 1

Torque

TCL1 fCL1

JCL1

TCL2 Clutch

ΩICE ΩICE JICE

TSS TICE fICE

PC

ΩPC SS

vveh

Fbrake

Fenv.

ΩW ΩW

TW fW

JW

Tz

Tm

Ωz

k4

Torque Convertor

ΩPC

JCL1 ΩCL

pcl


TEM1

TEM2

EM2

EM1 TGB3

ICETICE

ICE

PCTGB1

TGB2

GB2

GB1 TC

T

TC vveh

TW FTot

TA

TB

D

Batt.uDC

uDC

iCon1

i

iConv

uDC vveh

Env.Fenv

Fbrake

Bra.vveh

GB3

TGB3

TGB3_C

Tx

TGB3_O

TPC_O

TCL2

CL GB3_OTPC_O

GB3_OPC_O

TCL

CL GB3_CPC_C

ΩΩΩΩΩΩΩΩ ΩΩΩΩ

ΩΩΩΩ

ΩΩΩΩΩΩΩΩΩΩΩΩ

ΩΩΩΩ ΩΩΩΩ

ΩΩΩΩΩΩΩΩ

ICE????

PC

ΩΩΩΩΩΩΩΩ

ΩΩΩΩ ΩΩΩΩ

ICE????

PC

ΩΩΩΩΩΩΩΩ

Con2TICE_ref

TEM2_ref

FBrake_ref

TA_ref

TB_refTGB2_ref

k3

pclk 3

24

13

5

ΩΩΩΩ

TEM1_ref ICE_ref

PC_ref

TB_ref

Strategy

PC_ref

ICE_refTGB1_ref

TGB2_ref

TC_ref

VVeh_refPC_C_ref CL_ref GB3_C_ref

GB3_ref

ΩΩΩΩ

ΩΩΩΩ

ΩΩΩΩ

ΩΩΩΩ

ΩΩΩΩ ΩΩΩΩ ΩΩΩΩΩΩΩΩ ΩΩΩΩ

Lot 6 – Synthèse - Conclusions

Elaboration d’une démarche pour le développement d’ un chaîne de traction hybride

Importance de pouvoir disposer d’un profil de missi on précis (planification)

Application militaire plus problématique (récupérat ion de briques techno)

Utilisation d’un train Ravigneaux (train épicycloïda l à double étage -4 axes) :

Une alternative pour l’intégration d’une chaîne hyb ride sur un – Une alternative pour l’intégration d’une chaîne hyb ride sur un véhicule

– Ajout de générateur/ consommateur de type hydrauliq ue, pneumatique, prise de force

Archybald 2 (Intégration de l’ensemble des composants sur une p lateforme

d’intégration) Outil logiciel de conception

ARCHYBALD

MERCIMERCIDE

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