Assistance énergétique à base de supercondensateurs pour

POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR S SCIENCES

PAR

ingnieur lectricien diplm EPFde nationalit suisse et originaire de Essertes (VD)

accepte sur proposition du jury:

Suisse2008

Prof. Y. Perriard, prsident du juryProf. A. Rufer, directeur de thse

Prof. H. Bleuler, rapporteur Prof. A. Bouscayrol, rapporteur

Dr G. Coquery, rapporteur

Assistance nergtique base de supercondensateurs pour vhicules propulsion lectrique et hybride

Blaise DESTRAz

THSE NO 4083 (2008)

COLE POLYTECHNIQUE FDRALE DE LAUSANNE

PRSENTE LE 23 mAI 2008

LA FACULTE FACULT DES SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGNIEUR

LABORATOIRE D'LECTRONIQUE INDUSTRIELLE

PROGRAmmE DOCTORAL EN ENERGIE

Remerciements

Ce travail de thse a t ralis au Laboratoire dElectronique In-dustrielle dirig par le Professeur Alfred Rufer. Il naurait pas pu treralis sans laide dun grand nombre de personnes auxquelles je doistoute ma reconnaissance.Mes premiers remerciements sont adresss au Prof. A. Rufer, direc-

teur de thse, pour son soutien, son encadrement, sa confiance et sonenthousiasme durant la totalit du temps que jai pass dans le labora-toire. Je le remercie galement pour la relecture de mon manuscrit, deses commentaires pertinents et des propositions faites pour lamliorer.Je tiens ensuite remercier tous les membres du jury, Prof. Y. Per-

riard, Prof. H. Bleuler, Prof. A. Bouscayrol et Dr. G. Coquery pour leurscommentaires concernant le manuscrit, pour le temps consacr pour lalecture de ma thse et pour avoir accept de faire partie du jury dethse.Je souhaite remercier tous les partenaires industriels pour leur sou-

tien technique, leurs conseils et la mise disposition de matriel, notam-ment M. Froehlich, M. Klohr et M. Scholten de lentreprise BombardierTransportation, M. Altherr de lentreprise Stadler Rail AG et M. Tannerde lentreprise Oerlikon Batterie.Jexprime toute ma gratitude tous mes collgues du laboratoire

et plus particulirement au Dr. Philippe Barrade, premier assistant dulaboratoire, pour son soutien, son aide, la relecture du manuscrit et lesdiffrentes discussions pertinentes concernant les sujets de ma thse. Lesdiffrents rsultats trouvs au cours de mon travail sont directement lis la qualit du matriel informatique mis disposition et gr par Ro-

i

berto Zoia. Je remercie galement Yves Birbaum et Fabienne Vionnetpour la gestion efficace du matriel, pour les conseils lors de la ralisa-tion de circuits, pour laide concernant toutes les tches administrativeset pour leur bonne humeur. Tous les autres membres du laboratoiremont permis de raliser ma thse dans de bonnes conditions et dansune atmosphre de travail agrable.Je remercie tous les tudiants qui ont particip aux diffrents pro-

jets concernant mon travail de thse et plus particulirement NumaUchimoto pour les diffrentes discussions concernant la ralisation dusimulateur de rseaux.Un grand merci ma famille pour leur soutien tout au long de la

ralisation de mon travail de thse.Mes derniers remerciements sont adresss Sylvain Hauser pour ses

contributions, son soutien, ses encouragements et ses explications avi-ses pour la conception de circuits ainsi qu Yannick Louvrier, collguede bureau, pour toutes les discussions tant professionnelles quextra-professionnelles et son soutien trs actif dans les diffrentes tches lies la ralisation dune thse.

ii

Rsum

Avec le XXIe sicle, le domaine des transports rencontre un cer-tain nombre de problmes, dont ceux de la rarfaction des ressourcesde ptrole et de la pollution de lair. Depuis quelques dizaines dannes,des recherches sont faites dans ce domaine. Les vhicules de type hy-bride lectrique ont un grand potentiel pour une solution court terme.Ils conservent une source dnergie conventionnelle, mais un stockeurdnergie est ajout bord. Ainsi, lautonomie du vhicule est assurepar la premire source dnergie et les contraintes en puissance instan-tane leve sont assures par la seconde. En plus, le stockeur ajoute lapossibilit de rcuprer lnergie de freinage de manire optimale.Au cours de cette dernire dcennie, un dveloppement trs impor-

tant a t fait dans le domaine du stockage de lnergie. Les supercon-densateurs sont apparus. Ce sont des composants de puissance adaptspour une application dans le domaine des transports : leur dure de vieest de plus de 500 000 cycles alors que leur densit en puissance (W/kg)est beaucoup plus leve que celle des batteries.Ce travail concerne les domaines de la pollution de lair et du d-

veloppement de nouveaux lments stockeurs dnergie. Il prsente lesproprits lies lutilisation dun systme dassistance en puissancepour vhicules. Dans ce cas, le stockeur dnergie auxiliaire est embarquet il est compos de supercondensateurs. Le gain sur la consommationnergtique du vhicule dpend directement de son type, du parcourset de la taille du stockeur dnergie. Une mthode de dimensionnementoptimale de la taille du stockeur dnergie est dveloppe.Une application dans plusieurs catgories de vhicules est prsen-

iii

te : un rseau de transport aliment par catnaire, un vhicule diesel-lectrique et un vhicule lectrique lger. Pour tous ces cas, la taille dustockeur dnergie, le systme de gestion de lnergie bord et la baissede consommation dnergie primaire sont dfinis.Suite aux diffrentes mthodes dveloppes, il est possible de dfi-

nir les conditions pour lesquelles un systme dassistance en puissanceapporte un rel gain sur la consommation nergtique.Lajout dun systme de stockage dnergie bord dun vhicule ne

peut pas se faire sans lajout dun convertisseur statique. Il est utilisprincipalement pour adapter les niveaux de tension entre le stockeur etles autres quipements de propulsion du vhicule et pour assurer la ges-tion de lnergie bord. Un convertisseur continu-continu multicanauxentrelacs fonctionnant en mode de conduction discontinu est spciale-ment ddi aux applications mobiles. Le poids et le volume sont rduitspar rapport un convertisseur standard et le rendement est plus lev.

Mots clsStockage dnergie Supercondensateur Assistance en puissance

Vhicule Rseau de transport Consommation nergtique Conver-tisseur DC/DC

iv

Summary

So far in the Twenty-first century the field of people transportationhas had numerous setbacks, of these some are related to air pollutionand some to the rarefaction of petroleum sources. Studies have beenundertaken within this domain for many years now. Hybrid vehicles inwhich the conventional energy source is kept and an on-board energysource is added are showing themselves to be a potentially good solutionin the short term. In these hybrids the vehicle autonomy is assumedby the first energy source and the power constraints are taken uponby the second. Moreover, the storage element adds the possibility torecuperate the braking energy in an optimal way.During the last decade, an important development has come about

in the field of energy storage elements. The supercapacitors newly ap-pearing on the scene are power components well suited for an applicationin transportation domain: their lifetime is over 500,000 cycles and theirpower density (W/kg) is much higher than for batteries.The present work is concerned with air pollution and energy storage

elements and presents the details of using a power assistance systemfor vehicles. In this case, the auxiliary power energy storage element ison board and is made of supercapacitors. The decreased energy con-sumption of the vehicle is directly dependant on the vehicles type, theroute driven and the size of the storage element within the vehicle. Anoptimal method of sizing the energy storage element is developed.An application of the principles is presented in three different cate-

gories of vehicle: a transportation network fed by catenaries, a diesel-electric vehicle and a light electrical vehicle. In all three cases, the size

v

of the storage elements, the on-board energy control system and thereduction of the vehicle consumption are defined.Following the different methods developed here, it is possible to de-

fine the conditions for when a power assistance system can give a realdecrease in the vehicles energy consumption.When an on-board storage element is added in a vehicle, a static

converter has to be used. Its main role is to adapt the voltage levelbetween the storage element and the other vehicle propulsion equipmentand to control the energy flow on board the vehicle. An interleaved muti-channel continuous-continuous converter operating in a discontinuousconduction mode is especially dedicated to mobile applications. Thistype of converter is lighter and smaller in volume, yet its efficiency isgreater.

Key wordsEnergy storage Supercapacitor Power assistance Vehicle Trans-port network Energy consumption DC/DC converter

vi

Table des matires

Remerciements i

Rsum iii

Summary v

Notations xiii

1 Introduction 11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Motivations et objectifs de la thse . . . . . . . . . . . . 51.3 Structure de ce document . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2 Les vhicules, augmentation de leur rendement 92.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2 Solutions pour diminuer les gaz polluants et les pertes

nergtiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2.1 Vhicules standards moteur thermique . . . . . 112.2.2 Vhicules lectriques . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.3 Vhicules dont la source dnergie est un volant

dinertie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

vii

2.2.4 Vhicules dont la source dnergie est de lair com-prim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2.5 Vhicules dont la source dnergie est une pile combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.2.6 Vhicules hybrides . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.3 Concept de lassistance en puissance pour vhicules . . . 20

2.3.1 Contraintes en puissance sur un parcours . . . . 212.3.2 Systme optimal dassistance en puissance . . . . 262.3.3 Gain sur le rendement nergtique en fonction de

la longueur du parcours et du poids vide duvhicule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3 Les diffrents types daccumulateurs dnergie 353.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.2 Types daccumulateurs dnergie pour les vhicules . . . 36

3.2.1 Accumulateurs dnergie de type mcanique . . . 363.2.2 Accumulateurs dnergie de type lectrique . . . 43

3.3 Comparaison des diffrents types de stockeurs . . . . . . 503.3.1 Dure de vie et rendement du stockeur . . . . . . 503.3.2 Diagramme de Ragone . . . . . . . . . . . . . . . 513.3.3 Plan de Ragone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4 Un rseau de transport aliment par catnaire 574.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574.2 Dfinition dun parcours de rfrence . . . . . . . . . . . 604.3 Caractristiques du vhicule de rfrence . . . . . . . . . 634.4 Systme dassistance en puissance propos . . . . . . . . 65

4.4.1 Structure du branchement du stockeur dnergiedans le vhicule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.4.2 Rgulation du systme dassistance en puissance 714.5 Simulateur de rseau de transport catnaire . . . . . . 72

4.5.1 Structure du simulateur . . . . . . . . . . . . . . 734.5.2 Modles mcaniques du vhicule . . . . . . . . . 744.5.3 Modles lectriques . . . . . . . . . . . . . . . . . 814.5.4 Modles du rseau dalimentation, couplage entre

les vhicules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

viii

4.5.5 Modle des sous-stations . . . . . . . . . . . . . . 844.5.6 Noeud bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 854.5.7 Boucle de calcul dans Simulink . . . . . . . . . . 864.5.8 Mthode de calcul retenue pour dterminer la ten-

sion de ligne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 874.6 Paramtres du vhicule et de la ligne utiliss pour les

simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 904.7 Rsultats pour un vhicule avec et sans stockeur . . . . 914.8 Rsultats pour un rseau de vhicules standards . . . . . 94

4.8.1 1 vhicule sur le parcours . . . . . . . . . . . . . 944.8.2 1 vhicule toutes les 5 minutes sur le parcours . . 97

4.9 Rsultats pour un rseau de vhicules avec un stockeurdnergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 994.9.1 1 vhicule sur le parcours . . . . . . . . . . . . . 1004.9.2 1 vhicule toutes les 5 minutes sur le parcours . . 102

4.10 Consommation nergtique du rseau de transport . . . 1044.10.1 Un seul vhicule sur la ligne . . . . . . . . . . . . 1054.10.2 Un vhicule toutes les 5 minutes sur la ligne . . . 1074.10.3 Pourcentage de vhicules avec un stockeur embar-

qu dans le rseau de transport . . . . . . . . . . 1084.10.4 Variation du poids vide des vhicules . . . . . . 1094.10.5 Variation de la puissance des auxiliaires . . . . . 1104.10.6 Variation de la rsistance linique de la ligne . . 112

4.11 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

5 Un vhicule diesel-lectrique 1175.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1175.2 Dfinition dun parcours de rfrence . . . . . . . . . . . 1195.3 Caractristiques du vhicule . . . . . . . . . . . . . . . . 1235.4 Mesure des puissances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1265.5 Systme dassistance en puissance . . . . . . . . . . . . . 128

5.5.1 Structure du branchement du stockeur dnergiedans le vhicule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

5.5.2 Rgulation du systme dassistance en puissance 1325.6 Dimensionnement du banc de supercondensateurs . . . . 136

5.6.1 Modification des contraintes sur le moteur diesel 1365.6.2 Recherche de la taille du stockeur en fonction de

la taille du moteur diesel . . . . . . . . . . . . . 141

ix

5.6.3 Rsultats du dimensionnement . . . . . . . . . . 1435.7 Simulations sur le parcours type . . . . . . . . . . . . . 149

5.7.1 Descriptif du simulateur . . . . . . . . . . . . . . 1495.7.2 Rsultats obtenus pour le cas du moteur diesel de

380 kW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1505.7.3 Rsum des rsultats obtenus pour les autres cas

de moteurs diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1535.8 Considrations conomiques . . . . . . . . . . . . . . . . 155

5.8.1 Considrations conomiques pour la fabricationdu vhicule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

5.8.2 Considrations conomiques pour lexploitationdu vhicule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

5.8.3 Considrations conomiques globales . . . . . . . 1605.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

6 Un vhicule lectrique lger 1656.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1656.2 Dfinition du vhicule de rfrence . . . . . . . . . . . . 1676.3 Mesures effectues sur le parcours de rfrence . . . . . 1706.4 Le systme dassistance en puissance pour un vhicule

lectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1766.5 Dimensionnement du stockeur dnergie additionnel . . . 178

6.5.1 Dtermination de lnergie et de la puissance pourle stockeur dnergie additionnel . . . . . . . . . 179

6.5.2 Modle de supercondensateurs retenu . . . . . . 1816.5.3 Dtermination du nombre de supercondensateurs

ncessaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1816.5.4 Dtermination de la structure du banc de super-

condensateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1826.5.5 Changement du type de batteries . . . . . . . . . 184

6.6 Rgulation pour la gestion nergtique dans le vhicule . 1856.7 Simulations du vhicule avec un systme dassistance en

puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1866.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

7 Convertisseur statique associ au stockeur dnergie 1957.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1957.2 Principe du convertisseur DC/DC multicanal entrelac . 196

x

7.2.1 Mise en parallle de plusieurs convertisseurs l-mentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

7.2.2 Entrelacement de chaque canal . . . . . . . . . . 1987.2.3 Utilisation du mode de conduction discontinue . 1997.2.4 Conduction inverse des transistors MOS . . . . . 203

7.3 Cahier des charges pour la ralisation du convertisseur . 2047.4 Stratgie de commande pour le convertisseur multicanal 205

7.4.1 Ralisation des signaux de commande . . . . . . 2057.4.2 Rgulateurs pour le convertisseur complet . . . . 207

7.5 Dtermination du nombre de canaux . . . . . . . . . . . 2107.6 Rsultats des simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . 2177.7 Rsultats exprimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2237.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230

8 Conclusion gnrale 2338.1 Rsum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2348.2 Rsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2368.3 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

A Relations pour un convertisseur DC/DC multicanal 241A.1 Relations pour un convertisseur de type abaisseur . . . . 241A.2 Relations pour un convertisseur de type lvateur . . . . 246

B Interfaces graphiques pour le simulateur de rseau 253B.1 Interface pour lintroduction des paramtres . . . . . . . 254B.2 Interface pour laffichage des rsultats . . . . . . . . . . 255

C Consommation dun rseau de vhicules 257C.1 Variation de la proportion de vhicules avec un stockeur 258C.2 Variation du poids vide des vhicules . . . . . . . . . . 259C.3 Variation de la puissance des auxiliaires . . . . . . . . . 260C.4 Variation de la rsistance linique de ligne . . . . . . . . 261

Table des figures 263

Liste des tableaux 271

Bibliographie 273

xi

Curriculum Vitae 281

xii

Notations

Abrviations

DOD Depth of Discharge (Profondeur de dcharge)EPFL Ecole Polytechnique Fdrale de LausanneFS Chemins de fer italiensG GnrateurGTW Gelenktriebwagen (Automotrice articule)K1, 2 Interrupteurs dans une cellule de commutationLEI Laboratoire dElectronique IndustrielleM MoteurMG Moteur-GnrateurPSI Paul Scherrer InstitutPWM Pulse width modulationSMES Superconducting Magnetic Energy StorageSsta Sous-stationScap SupercondensateurTR TransistorV hc Vhicule

Symboles

a Acclration [m/s2]

xiii

Af Constante proportionnelle au carr de lavitesse (Force de frottementsarodynamiques)

[N s2 m2]

Asc Constante proportionnelle au carr de lavitesse (Rgulation de la puissance du bancde scap)

[N s3 m2]

B Effort de freinage lectrique [N ]be Consommation spcifique [g/kWh]Bf Constante proportionnelle la vitesse (Force

de frottements arodynamiques)[N s m1]

Bsc Constante proportionnelle la vitesse(Rgulation de la puissance du banc de scap)

[N s2 m1]

C Condensateur [F ]C Capacit linique [As/V m]Cf Constante (Force de frottements

arodynamiques)[N ]

Cs Condensateur de sortie dun convertisseur [F ]Csc Constante (Rgulation de la puissance du

banc de scap)[N s]

Cscap Condensateur quivalent un banc de scap [F ]D Rapport cyclique []E Energie [J ]e Energie (grandeur relative) []Ea Energie pour acclrer un vhicule [J ]Eb Energie stocke dans une batterie [J ]eb Energie stocke dans une batterie (grandeur

relative)[]

Ec Energie cintique de rotation [J ]Ecap Energie stocke dans un condensateur [J ]ecap Energie stocke dans un condensateur

(grandeur relative)[]

Ef Energie pour vaincre les forces de frottement [J ]Ei Energie stocke dans un SMES [J ]ei Energie stocke dans un SMES (grandeur

relative)[]

Epertes Energie dissipe [J ]

xiv

Esc Energie stocke sur le banc desupercondensateurs

[J ]

F Force [N ]Fa Force darrachement [N ]Fc Force due aux courbes [N ]fctot Frquence des oscillations du courant total [Hz]Fd Force due la dclivit [N ]Fex Force due lenvironnement extrieur du

vhicule[N ]

Ff Force de frottement due lair [N ]Fg Force due au passage dans un tunnel [N ]Fin Force produite par le vhicule [N ]fp Frquence de pulsation [Hz]G Conductance linique [A/V m]g Constante de gravitation [m/s2]I Courant [A]i Dclivit []I0 Courant nominal [A]Ibat Courant batterie [A]Ibat_c Consigne du courant batterie [A]I Moment dinertie [kg m2]Ie Courant dentre dun convertisseur [A]Ik1,2 Courant traversant un interrupteur [A]IL Courant dans une inductance [A]I l Matrice des courants de ligne (ordonne

dans lordre croissant des Z)[A]

Imax Courant maximal [A]I n Matrice des courants de noeud (ordonne

dans lordre croissant des Z)[A]

INB Courant du noeud bilan [A]Isc_c Consigne de courant (banc de scap) [A]ke Coefficient pour la force dans les courbes [m]kg Rapport de transmission []kt Coefficient pour la force dans un tunnel []L Inductance [H]L Inductance linique [V s/Am]

xv

Lf Inductance quivalente pour unesous-station

[H]

m Masse [kg]m Masse corrige dun vhicule [kg]me Masse embarque dans le vhicule [kg]Me Couple (essieu) [N m]Mgen Couple (gnratrice) [N m]Mgen_c Consigne de couple (gnratrice) [N m]Mm Couple (moteur) [N m]Mth Couple (moteur thermique) [N m]Mth_c Consigne de couple (moteur thermique) [N m]Ncan Nombre de canaux []P Puissance active [W ]p Puissance active (grandeur relative) []Paux Puissance des auxiliaires [W ]Pbrs Puissance dissipe (vhicule) [W ]Pcon Puissance transitant dans un convertisseur [W ]Pmo Puissance du moteur [W ]Pn Matrice des puissances [W ]P n Matrice des puissances (ordonne dans

lordre croissant des Z)[W ]

Pol Puissance la catnaire (vhicule) [W ]Psc Puissance du banc de supercondensateurs [W ]Psub Puissance de la sous-station [W ]Ptr Puissance totale pour la traction [W ]Pvhc Puissance du vhicule [W ]Pzk Puissance lectrique totale du vhicule (bus

DC)[W ]

Q Charge stocke [C]Q0 Charge nominale [C]R Rsistance []R Rsistance linique [/m]Rb Rsistance de fuite []Rc Rsistance de connexion (noeud bilan -

dbut ligne)[]

Rcon Rsistance de connexion []Rdson Rsistance de passage dun transistor []

xvi

Re Rayon de la roue [m]Req Rsistance quivalente entre 2 points du

rseau[]

Req,lin Rsistance linique quivalente [/m]Rind Rsistance srie dune inductance []Rint Rsistance interne dune sous-station []RL Rsistance de bypass []RL Matrice des rsistances de ligne []RL Matrice des rsistances de ligne (ordonne

dans lordre croissant des Z)[]

Rl1,2 Rsistance de la ligne entre 2 pointsdquilibrage

[]

Rnb Rsistance parasite du noeud bilan []Rr1,2 Rsistance du rail entre 2 points

dquilibrage[]

Rs Rsistance de connexion (ssta noeud bilan -dbut ligne)

[]

Rs Rsistance de charge dun convertisseur []Rv Rayon de courbure [m]t Temps [s]Ta Temps dacclration dun vhicule [s]Te Temps denclenchement [s]Td Temps de dclenchement [s]Toff Temps de blocage dun transistor [s]Tp Priode de pulsation [s]tscrch Temps pour recharger le banc de

supercondensateurs lors dun arrt[s]

U Tension [V ]U0 Tension vide dune sous-station [V ]U0 Tension nominale [V ]Ubat Tension dune batterie [V ]Uc Tension du bus continu [V ]Uc_c Consigne de la tension du bus continu [V ]Ue Tension lentre dun convertisseur [V ]Uk1,2 Tension aux bornes dun interrupteur [V ]Un Matrice des tensions de noeud [V ]

xvii

U n Matrice des tensions de noeud (ordonnedans lordre croissant des Z)

[V ]

Unb0 Tension vide du noeud bilan [V ]UNB Tension du noeud bilan [V ]Us Tension la sortie dun convertisseur [V ]Usc Tension dun banc de supercondensateurs [V ]Uscmax Tension maximale dun banc de

supercondensateurs[V ]

v Vitesse [m/s]V Vitesse [km/h]vmax Vitesse maximale [m/s]z Position par rapport au dbut de la ligne [m]Z Effort de traction [N ]Zn Matrice des positions [m]Z n Matrice des positions (ordonne dans lordre

croissant des Z)[m]

zsub Position de la sous-station [m]zvhc Position du vhicule [m] Angle entre la voie et lhorizontale [rad] Coefficient du temps dannulation du

courant par rapport Tp[]

IL Ondulation de courant dans une inductance [A] Vitesse angulaire [rad/s1]e Vitesse angulaire (essieu) [rad/s1]groupe Vitesse angulaire (groupe moteur

diesel-gnratrice)[rad/s1]

m Vitesse angulaire (moteur) [rad/s1] Coefficient pour calculer la masse corrige

dun vhicule[]

xviii

Chapitre1Introduction

1.1 Introduction

La problmatique de lapprovisionnement en nergie primaire et desrejets polluants lis lutilisation de vhicules est tudie depuis plus detrente ans. Durant cette priode, les progrs faits sur le rendement desmoteurs utiliss dans les vhicules ont t importants. Paralllement,de nouvelles prescriptions concernant les gaz dchappement des vhi-cules sont entres en vigueur et ont eu pour effet de rduire de manireimportante les missions de polluants [1]. Cette diminution a t prin-cipalement lie lobligation dquiper les vhicules de catalyseurs. Lafigure 1.1 prsente lvolution et les prvisions des missions entre 1980et 2030 en Suisse.Durant cette mme priode, le dveloppement dlments de confort

et de scurit (augmentation du poids vide) [2] ainsi que laugmen-tation des performances dynamiques ont fait que, bien que les rejetspolluants ont t rduits, la consommation de carburant des vhicules

1

1.1. Introduction

Rapport 255+ (2000) Rapport 355 (2004) Tous les chiffres en tonnes/an

Comparaison de l'volution des missions: CO

0

200'000

400'000

600'000

800'000

1'000'000

1'200'000

1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030

Comparaison de l'volution des missions: HC

0

20'000

40'000

60'000

80'000

100'000

120'000

140'000

160'000

1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030

VComparaison de l'volution des missions: NOx

0

20'000

40'000

60'000

80'000

100'000

120'000

140'000

1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030

VComparaison de l'volution des missions: Part

0

1'000

2'000

3'000

4'000

5'000

6'000

7'000

8'000

1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030

Fig. 1.1 Comparaison entre lvolution actualise desmissions ("Rapport 355") et les rsultats de lancien rapport

OFEFP 255/Complments, OFEFP 2000. Source : [1]

na que faiblement diminu. Un de ces lments de confort concernelajout dune climatisation embarque [3].Actuellement, la grande majorit des vhicules utilisent des carbu-

rants de type ptroliers (95 % au niveau mondial en 2000) [4]). Cettesource dnergie primaire nest pas renouvelable et donc va disparatredans le futur. Lchance pour lpuisement des ressources est diffrenteen fonction de chaque tude.Paralllement lamlioration du rendement des moteurs, lvolution

dans le domaine des composants qui peuvent tre utiliss pour stockerde lnergie a t importante durant ces dix dernires annes. Ainsi, parexemple, les supercondensateurs [5], [6], les volants dinertie [7] et denouveaux types de batteries [8], [9] ont t dvelopps.En relation avec le dveloppement plus rcent des supercondensa-

teurs, ce travail sera orient fortement sur les performances quil est

2

1.1. Introduction

possible datteindre au sens de leur densit dnergie et de puissance.Une utilisation industrielle devra traiter en dtail les aspects du cyclede vie de ces composants qui font encore dfaut actuellement. De plus,les aspects conomiques et de scurit lors de leur utilisation devrontgalement tre abords en plus des aspects purement nergtiques.La puissance ncessaire pour un vhicule sur une phase acclration-

freinage type est donne dans la figure 1.2. Dans ce cas, la vitessemaximale du vhicule est de 70 km/h, son acclration est constante(1.2 m/s2) et le parcours a un dnivel nul. Cette caractristique seretrouve pour tous les types de vhicules. Trois phases distinctes appa-raissent : Acclration. La puissance crot en fonction de laugmentation dela vitesse.

Parcours vitesse constante. La puissance ncessaire est alorsconstante et est faible par rapport la puissance de pointe lors desacclrations. Elle sert compenser les pertes arodynamiques duvhicule.

0 10 20 30 40 50 60 701.5

1

0.5

0

0.5

1

1.5

2Puissance

Temps (s)

Puis

sanc

e [M

W]

Fig. 1.2 Puissance type pour une phase acclrationfreinage

3

1.1. Introduction

Freinage. La puissance est dans ce cas ngative et dcrot en fonc-tion de la baisse de la vitesse.

Dans un vhicule standard sans stockeur dnergie, toute la puis-sance de freinage est dissipe sous forme de chaleur, ce qui a un impactdirect sur le rendement nergtique du vhicule. Lnergie de freinagedissipe est reprsente par la surface bleue dans la figure 1.2. Dans cer-tains cas, cette nergie peut reprsenter jusqu 78 % (voir section 2.3.1)de lnergie qui est fournie aux roues lors des phases dacclration etdavance vitesse constante. Cependant, dans une ralisation pratique,la totalit de cette nergie ne peut pas tre valorise cause du ren-dement non unitaire de la chane mcanique et lectrique de tractionet du stockeur dnergie. Lexemple dun train de type diesel-lectriquesans stockeur dnergie embarqu est prsent dans le chapitre 5 de cemmoire.La solution propose dans cette thse pour augmenter le rendement

nergtique des vhicules est dajouter un stockeur dnergie embarqudans le but de pouvoir rcuprer lnergie de freinage et de la rinjec-ter dans le systme de traction lors des acclrations. Ainsi, la sourcednergie standard est utilise pour fournir la puissance moyenne et lestockeur pour absorber les contraintes en puissance. Du fait que le mo-teur standard ne doit plus tre dimensionn pour fournir les pointes depuissance lors des acclrations, il est possible dutiliser un moteur deplus faible taille qui, de plus, peut tre exploit des des conditions duti-lisation proches de son point de fonctionnement meilleur rendement.Ce concept est appel "downsizing" [10]. Les supercondensateurs ou lesvolants dinertie sont des composants ayant les proprits requises pourassurer la fonction de tampon dnergie dans ce type de systmes [11],[12].La connexion entre un systme de stockage dnergie de type super-

capacitif et le reste du vhicule seffectue au travers dun convertisseurstatique. Dans la grande majorit des cas, ce convertisseur doit tre detype DC/DC dans le but dadapter la tension continue variable la ten-sion utilise dans le vhicule. Dans le domaine des transports, le poidsest un critre dterminant pour le rendement global et le volume pourle nombre de personnes pouvant tre embarques. De plus, pour exploi-ter de manire efficace lnergie de freinage rcupre, le rendement duconvertisseur est galement un facteur important. Une topologie stan-dard de convertisseur DC/DC peut tre utilise [13], mais le poids et

4

1.2. Motivations et objectifs de la thse

le volume des composants passifs associs peuvent savrer problma-tiques. Une solution possible est dutiliser un convertisseur de type mul-ticanaux entrelacs et fonctionnant en mode de conduction discontinu.Le rendement, le poids et le volume de ce type de convertisseur sontalors plus facilement compatibles avec les contraintes dues un systmedassistance en puissance.Le gain sur la consommation dnergie primaire par lajout dun

systme dassistance en puissance est directement dpendant du typede vhicule, du parcours, et des proprits dynamiques requises. Ainsi,les paramtres du poids vide, de la valeur de lacclration, de la vitessemaximale, de la longueur du parcours entre deux arrts, de la dclivit,etc doivent tre tudis en dtail pour dterminer la taille optimale dustockeur dnergie utiliser.

1.2 Motivations et objectifs de la thse

Les vhicules de type hybride existent depuis longtemps ([14] et [15]).Certains modles sont actuellement sur le march. Un exemple de v-hicule hybride est la Toyota Prius ([16] et [2]). Toutefois, le gain surla consommation de ce type de vhicule est dpendant de nombreuxparamtres, dont : Poids du vhicule Acclration Dure de lacclration (et donc de la vitesse maximale) Pente du parcoursEn plus des paramtres concernant le vhicule et le type de parcours,

le rendement nergtique est galement directement li la structuredu vhicule hybride, au type de stockeur dnergie et aux convertisseursstatiques utiliss pour la gestion de lnergie bord du vhicule.Le travail prsent dans cette thse consiste caractriser et dimen-

sionner un systme dassistance en puissance avec un stockeur dnergieembarqu pour diffrents types de vhicules. Ce systme est utilis dansle but de lisser la puissance dlivre par le moteur principal et de rcu-prer lnergie de freinage. Les composants suivants seront dtaills : Structure et gestion des deux sources dnergie embarques

5

1.3. Structure de ce document

Choix et dimensionnement du stockeur dnergie Downsizing de la source dnergie primaire Dtermination de la structure dun convertisseur statique adaptLe premier but consiste dterminer quels sont les critres pour

quun systme dassistance en puissance permette de diminuer de ma-nire significative la consommation nergtique dun vhicule tout enconservant les mmes caractristiques dynamiques telles que lacclra-tion et la vitesse maximale.Le second but est de prsenter une tude complte concernant le

systme dassistance en puissance pour trois catgories distinctes devhicules. La premire concerne un rseau de transport urbain (trams)aliment par catnaire. A cause des interactions entre les diffrents vhi-cules sur le rseau, la consommation nergtique est dtermine pour lesystme complet incluant les sous-stations, les catnaires et les vhicules.La seconde catgorie concerne les vhicules de type diesel-lectrique. Lecas dune automotrice articule circulant en rgion montagneuse estchoisi. La troisime est caractrise par un vhicule lectrique lger. Unscooter lectrique circulant en milieu urbain est tudi.Dans tous les cas prsents, un convertisseur statique de type

DC/DC doit tre ajout au systme. La caractrisation, le dimensionne-ment et la ralisation dun convertisseur ddi aux systmes dassistanceen puissance embarqus est le troisime but de ce travail.

1.3 Structure de ce document

Le chapitre 2 de la thse prsente les diffrentes solutions pour aug-menter le rendement nergtique des vhicules. La meilleure solution estdutiliser des vhicules de type hybride. Une comparaison entre les dif-frentes structures est prsente dans ce chapitre. Les critres de poids -volume - rendement - ralisation mcanique y sont abords. La dernirepartie du chapitre 2 prsente la consommation nergtique dun vhiculeen fonction des critres de poids, de rsistance arodynamique, de pente,de distance entre les arrts. En fonction de ces mmes critres, le gainsur la consommation nergtique par lajout dun systme dassistanceen puissance est tudi.Le chapitre 3 prsente les diffrents types de stockeurs dnergie quil

6


est possible dutiliser pour les vhicules hybrides. Une comparaison ba-se sur des critres densit de puissance - densit dnergie - rendement- poids - volume entre les diffrentes solutions est prsente dans cechapitre.Les trois chapitres suivants vont analyser un systme dassistance en

puissance pour trois types de vhicules diffrents :

Vhicules intgrs dans un rseau de transport urbain base decatnaires

Vhicule dont la source dnergie primaire dpend dun combus-tible fossile

Vhicule lectrique lger base de batteries

Le chapitre 4 prsente un systme dassistance en puissance pour desvhicules dans un rseau de transport base de catnaires. Les vhiculesmodernes qui sont exploits dans ce type de rseau rinjectent lnergiede freinage dans la catnaire. Toutefois, les conditions pour rinjectercette nergie sont trs strictes et dpendent directement des autres v-hicules sur la ligne. Dans ce cas, un stockeur dnergie est ajout borddu vhicule dans le but de rcuprer lnergie de freinage de manireefficace et de diminuer les contraintes en puissance sur la catnaire.Un logiciel de simulation est dvelopp dans ce contexte permettant demontrer les interactions entre les vhicules ainsi que de dterminer lerendement nergtique global du systme complet (vhicules, infrastruc-ture de distribution de lnergie, sous-stations). Une application sur unrseau de tram est prsente dans ce chapitre.Le chapitre 5 prsente le concept dassistance en puissance appliqu

un vhicule dont la source dnergie primaire est compose dun mo-teur thermique conventionnel. Dans ce type de vhicules, toute lnergiede freinage est dissipe sous forme de chaleur et le moteur thermique nefonctionne pas dans sa plage de meilleur rendement (couplage sans sto-ckage entre le moteur thermique et les roues). Le systme dassistanceen puissance propos consiste ajouter un stockeur dnergie embarqudans le but daugmenter le rendement nergtique du vhicule par r-cupration de lnergie de freinage et par dcouplage de la puissance dumoteur thermique de la puissance de propulsion. Lexemple retenu dansce chapitre est une automotrice articule de type diesel-lectrique.Le chapitre 6 traite du systme dassistance en puissance pour un

7


vhicule lectrique lger base de batteries. Dans ce cas, lnergie defreinage ne peut que partiellement tre rcupre cause du faible cou-rant de charge pouvant tre inject dans les batteries. Une autre sourcede pertes dans ce systme est due lnergie dissipe dans la rsistanceinterne des batteries. Lors des acclrations, les pertes atteignent jus-qu 33 % de lnergie de traction. Le systme dassistance en puissancepropose dajouter un stockeur dnergie embarqu ayant de meilleurescaractristiques concernant les contraintes en puissance. Ainsi, les batte-ries sont conserves pour garantir lautonomie et le stockeur additionneldnergie fournit les contraintes en puissance. Lexemple dapplicationretenu pour ce chapitre est un scooter lectrique.Le chapitre 7 est consacr aux systmes dlectronique de puissance,

et plus particulirement aux convertisseurs statiques. Dans tous les sys-tmes dassistance proposs dans les chapitres prcdents, un stockeurdnergie est ajout bord du vhicule. Ce dernier doit tre interfac laide dun convertisseur statique au reste du vhicule. Ce stockeur estgalement utilis pour grer les flux nergtiques bord du vhicule.Du fait que le convertisseur est embarqu, le poids et le volume sontdeux critres trs importants. Le rendement doit galement tre lev.Un convertisseur standard peut tre utilis bord, mais le poids deslments passifs peut savrer problmatique. Une solution particulire-ment intressante est prsente dans ce chapitre et propose un conver-tisseur statique regroupant toutes les caractristiques requises pour uneapplication mobile. Il sagit dun convertisseur continu-continu multica-naux entrelacs fonctionnant en rgime de conduction discontinue.Le chapitre 8 est crit comme conclusion gnrale de cette thse. Il

rsume les diffrentes solutions abordes dans ce document et donne lesperspectives pour la ralisation de vhicules hybrides dans le futur.

8

Chapitre2Les vhicules, augmentation de leur

rendement

2.1 Introduction

La rduction de la consommation nergtique et la baisse des rejetspolluants dans le domaine des transports est un des dfis majeurs de cesicle. Ceci est d principalement la forte croissance durant ces der-nires dcennies des besoins en transports [17] [18]. La premire partiede ce chapitre prsente les diffrentes solutions qui sont envisages dansces domaines.Lutilisation de vhicules hybrides prsente un important potentiel

pour diminuer la consommation nergtique. Les diffrents types de v-hicules hybrides ainsi que leurs avantages et inconvnients sont expossdans ce chapitre. La solution retenue dans ce travail est dutiliser unsystme dassistance en puissance avec un stockeur dnergie embarqudans le vhicule.La dernire section de ce chapitre prsente la mthode de dimension-

nement optimale dun systme dassistance en puissance en fonction des

9

2.2. Solutions pour diminuer les gaz polluants et les pertes nergtiques

paramtres du vhicule et du parcours. La fin de ce chapitre montrele potentiel daugmentation du rendement nergtique dun vhicule enfonction du type du vhicule et du parcours (vitesse maximale, longueurdu parcours,...).

2.2 Solutions pour diminuer les gaz pol-luants et les pertes nergtiques

Diffrentes approches peuvent tre suivies pour diminuer les rejetspolluants dus aux vhicules et pour augmenter leur rendement nerg-tique. Les solutions offrant le plus grand potentiel sont :

1. Rduction de la masse vide des vhicules

2. Augmentation du rendement nergtique des moteurs combus-tion

3. Changement du vecteur dnergie dans le vhicule

4. Amlioration de la gestion nergtique bord du vhicule

1. La premire solution consiste diminuer le poids vide du v-hicule. Lors de chaque acclration, lnergie cintique du vhicule estproportionnelle au carr de la vitesse et la masse du vhicule. Lors dufreinage avec un vhicule standard, toute cette nergie est dissipe sousforme de chaleur. Par exemple, lutilisation daluminium ([19]) permetde rduire le poids vide.

2. La seconde solution est seulement valable pour les vhicules utili-sant un moteur combustion et elle consiste augmenter le rendementdu moteur explosion ou du systme de traitement des gaz dchappe-ment.

3. Le remplacement dun moteur combustion par une autre sourcednergie permet de rduire les missions de gaz polluants. Il est parexemple possible dutiliser des batteries, des volants dinertie, de laircomprim, de lhydrogne,... pour stocker lnergie ncessaire la trac-tion. Dans tous ces cas, le procd utilis pour produire lnergie pourla recharge doit tre pris en compte lors du calcul du rendement global.

10


Dans bien des cas, cette production est associe une libration de CO2dans latmosphre.

4. La dernire solution concerne lamlioration de la gestion nerg-tique bord du vhicule. Il est par exemple possible dutiliser un vhi-cule hybride permettant de rcuprer lnergie de freinage de manireoptimale et de la rinjecter dans le systme de traction lors de lacc-lration suivante. Toutefois, lajout dun stockeur dnergie embarqudans le vhicule augmente la masse vide du vhicule. La rductionde consommation quil est possible dobtenir avec un tel systme estdirectement lie au type de vhicule et au parcours.

2.2.1 Vhicules standards moteur thermique

Actuellement, 95% des transports sont raliss par des vhicules en-trains par un moteur combustion [4]. La figure 2.1 montre le schmastructurel dun vhicule de ce type. Dans ce cas, des produits drivsdu ptrole constituent la source dnergie. Lnergie mcanique de ro-tation produite par le moteur combustion est transfre aux roues autravers dune transmisstion mcanique. Avec cette configuration, toutelnergie de freinage est dissipe sous forme de chaleur. Le rendementnergtique lors dun parcours constitu de plusieurs phases dacclra-tion et de freinage est faible. Il est montr dans la suite de ce chapitreque lnergie dissipe lors des freinages peut atteindre 80 % de lnergieproduite par le moteur thermique.

Moteur thermique

Transmission mcanique

RouesCarburant

Fig. 2.1 Structure dun vhicule moteur thermique

La combustion dans ce type de moteurs libre dans latmosphre dudioxyde de carbone, des monoxydes de carbone, des particules fines, desoxydes dazote, des oxydes de soufre et quelques hydrocarbures imbrls.En plus de ces dsavantages, les rserves de ptrole ne sont pas infinieset ainsi, en fonction de la diminution des rserves, le prix du ptroleva augmenter de manire significative. Pour ces diffrentes raisons, denouvelles solutions moins gourmandes en nergie primaire ou utilisant

11


une autre source dnergie sont en cours dtude.Dans ce travail, seules les solutions suivantes pour rduire la consom-

mation et limpact sur lenvironnement des vhicules sont prsentes :les vhicules lectriques (stockage de lnergie dans des batteries), lesvhicules entrans par un volant dinertie, les vhicules dont la sourcednergie est de lair comprim, les vhicules dont la source dnergieest une pile combustible et les vhicules hybrides. La catgorie desvhicules hybrides inclut les systmes dassistance en puissance avec unstockeur dnergie embarqu.

2.2.2 Vhicules lectriques

La figure 2.2 prsente le schma bloc dun vhicule lectrique typique.Dans ce cas, la seule source dnergie bord est compose de batteriesqui sont recharges gnralement durant la nuit.

Moteur lectrique


RouesBatteriesSystme de recharge

Convertisseur statique

Fig. 2.2 Vhicule lectrique standard

Le point faible dans ce type de vhicule concerne les batteries. Eneffet, leur densit en puissance (W/kg) est limite et leur dure de vieest directement lie aux contraintes qui leur sont appliques. Ainsi, leurcourant de charge et de dcharge doit tre limit pour garantir une durede vie compatible avec un vhicule. Concernant la charge des batteries,la solution consiste utiliser un faible courant durant une longue priode(plusieurs heures ou pendant la nuit). Une limitation du courant dedcharge est synonyme dune diminution des performances dynamiquesdu vhicule, ce qui nest pas envisageable. Le courant prlev sur lesbatteries lors dune acclration (contrainte en puissance leve) restedonc important. Dans de nombreux cas dans le domaine des transports,les batteries doivent tre dimensionnes selon un critre en puissance(li la dure de vie) et non selon un critre en nergie.Dans un vhicule lectrique, lnergie de freinage peut tre tho-

riquement rcupre. Dans ce cas, le moteur lectrique fonctionne engnrateur et rinjecte dans les batteries lnergie cintique du vhicule

12


transforme en nergie lectrique. Pour les batteries de type standard,leur courant maximal de charge est plus faible que leur courant maxi-mal de dcharge. La puissance de freinage qui peut tre rcupre estdirectement lie au courant maximal de recharge de llment stockeurdnergie.Le vhicule lectrique est propre au niveau de lutilisateur final,

cest--dire quil nmet pas de gaz polluants localement. Toutefois, ilnest pas toujours exempt dimpacts sur lenvironnement lorsquil estconsidr dans sa globalit. Par exemple, le recyclage des batteries usa-ges et la production de llectricit pour la recharge doivent tre prisesen compte. Dans le cas le plus dfavorable, lnergie lectrique est pro-duite partir de carburant fossile librant du CO2 dans latmosphre.Pour quun vhicule lectrique puisse tre qualifi de propre, lnergiencessaire la charge doit tre produite par des nergies renouvelables(solaire, olien, hydraulique, etc).Il existe de nombreuses ralisations de vhicules lectriques propulss

par des batteries. Deux exemples parmi toutes les ralisations faites sontla Jamais Contente [14] et la T-Zero conue par AC Propulsion [20].

2.2.3 Vhicules dont la source dnergie est un vo-lant dinertie

Les figures 2.3 et 2.4 reprsentent le schma bloc dun vhicule ali-ment par un volant dinertie. Deux types de couplages sont possiblesentre le volant dinertie et les roues : mcanique (figure 2.3) ou lectrique(figure 2.4). Toute lnergie de traction pour le parcours est stockesous forme mcanique par rotation du volant dinertie. Lors dun arrtdu vhicule, il peut tre connect au rseau lectrique industriel pourrecharger le volant dinertie (augmentation de sa vitesse de rotation).Le principal inconvnient li lutilisation dun volant dinertie


RouesVolant

dinertieSystme de

recharge

Fig. 2.3 Vhicule dont la source dnergie est un volantdinertie (couplage mcanique)

13


Moteur lectrique


Roues

Volant dinertie

Systme de recharge

Electronique de puissance

Fig. 2.4 Vhicule dont la source dnergie est un volantdinertie (couplage lectrique)

bord dun vhicule concerne un problme de scurit : une importantemasse en rotation embarque dans un vhicule peut avoir de gravesconsquences lors dun accident.Divers dveloppements utilisant un volant dinertie embarqu bord

dun vhicule ont t faits. Il est possible de mentionner le GyrobusdYverdon [21], un bus utilis dans la ville de Ble [7], [22] et un tramdvelopp par la compagnie Alstom pour la ville de Rotterdam [23].

2.2.4 Vhicules dont la source dnergie est de laircomprim

La figure 2.5 reprsente la structure dun vhicule dont la sourcednergie est de lair comprim. Dans ce type de vhicule, lnergie estcontenue dans de lair comprim dans des rservoirs sous pression (gn-ralement 300 bars). Un moteur spcialement dvelopp est utilis pourfournir lnergie de rotation des roues partir du gaz sous pression.La recharge des rservoirs en air peut seffectuer soit dans des stationsde recharge (dure 3 minutes), soit par utilisation du rseau lectriqueindustriel (dure de recharge 4 heures).Lavantage de ce type de vhicule est quil ne rejette pas de gaz pol-


RouesStockage air

comprimSystme de

rechargeMoteur

Fig. 2.5 Vhicule dont la source dnergie est de laircomprim

14


luants localement lors de son utilisation. Le procd utilis pour com-primer lair doit tre pris en compte lors de lvaluation des effets surlenvironnement. Lnergie utilise pour la recharge en air comprim estdans la majorit des cas obtenue en utilisant de lnergie de type lec-trique. Les remarques concernant la production de cette nergie sontidentiques au cas dun vhicule lectrique (section 2.2.2).Les deux inconvnients de lutilisation de cette source dnergie sont : Risque dexplosion des rservoirs en cas daccident Faible densit en nergie (kWh/kg) et donc faible autonomie duvhicule

Des vhicules utilisant cette source dnergie sont construits par len-treprise Tata en partenariat avec MDI [24]. Dans ce cas, le volume desrservoirs dair est de 300 litres, la pression est de 300 bars, ce quireprsente une nergie stocke de 12.7 kWh.

2.2.5 Vhicules dont la source dnergie est une pile combustible

La figure 2.6 prsente la structure standard dun vhicule dont lner-gie de traction est fournie par une pile combustible. Dans ce cas,lnergie primaire est lhydrogne. Dans la grande majorit des cas, elleest stocke sous forme gazeuse dans des rservoirs sous pression. Dansle futur, dautres formes de stockage de lhydrogne prsentent un im-portant potentiel, par exemple les hydrures mtalliques [25]. Dans unepile combustible, lhydrogne ragit avec de loxygne (prlev danslair ambiant) pour produire de leau, de llectricit et de la chaleur.Dans le cas des vhicules, seule llectricit est utilise pour alimenter lemoteur de traction. Cette raction chimique ne libre aucune missionpolluante dans latmosphre. Des dtails complmentaires sont donnsdans [26]. La raction dans une pile combustible est la suivante :

H2 +12O2 H2O (2.1)

La raction dans une pile combustible ne libre pas de gaz polluantsdans latmosphre, mais les procds actuels de production dhydrogneont un rendement faible et peuvent avoir un impact sur lenvironnementimportant.

15


Pile combustible


RouesHydrogne Moteur lectrique

Convertisseur statique

Fig. 2.6 Vhicule base de pile combustible standard

Sans systme de stockage dnergie additionnel, comme cest le caspour tous les vhicules exploitant une pile combustible, toute lner-gie de freinage est dissipe sous forme de chaleur. Ainsi, jusqu 80 %(montr la fin de ce chapitre) de lnergie fournie par la pile combus-tible est dissipe lors des freinages. Il existe donc un important potentielpour augmenter le rendement nergtique du vhicule en ajoutant unsystme de stockage dnergie embarqu pour rcuprer lnergie de frei-nage. Dans ce cas, le vhicule est classifi dans la catgorie des vhiculeshybrides [27].La solution dutiliser lhydrogne comme source dnergie primaire

dans les vhicules est prometteuse pour une solution long terme. Ce-pendant, elle nest pas envisageable pour du court terme cause duprix lev des piles combustible, du manque de rseaux de distribu-tion dhydrogne de type "propre", des problmes lis au rservoir et detous les problmes techniques qui doivent encore tre rsolus.De nombreuses tudes concernant lutilisation de piles combustible

pour alimenter des vhicules ont t faites. Une de ces tudes a tralise par la socit Michelin en partenariat avec le Paul ScherrerInstitut (PSI) et a consist dvelopper la Michelin Hy-Light [28].

2.2.6 Vhicules hybridesUn vhicule hybride possde deux sources dnergie embarques pou-

vant tre utilises pour la propulsion du vhicule. Il existe dans la litt-rature de nombreuses dfinitions pour caractriser et dfinir un vhiculehybride [15] [29] [30] [31] et [32]. Dans cette thse, la dfinition suivanteest retenue : un vhicule hybride est un vhicule ayant deux sourcesdnergie embarques de nature diffrente.Dans ce document, lorsque les deux sources dnergie embarques ont

des caractristiques diffrentes, le vhicule est appel hybride. Ainsi, unvhicule ayant son bord une batterie et un banc de supercondensateurs(les deux types sont des stockeurs dnergie lectrique, mais ayant des

16


caractristiques diffrentes) est un vhicule hybride. Une mthode demodlisation spcialement ddie aux vhicules de type hybride a tdfinie dans [33] et [34].Le type de vhicule hybride le plus courant est compos dun mo-

teur thermique et dun accumulateur dnergie lectrique. Dans ce cas,le moteur thermique est identique celui dun vhicule standard nonhybride, mais son fonctionnement peut tre dcoupl des roues. En effet,la puissance de traction est fournie conjointement par les deux sourcesdnergie embarques.Lajout dun stockeur dnergie de type lectrique dans un vhicule

permet de rcuprer son nergie de freinage. Dans ce cas, le moteurlectrique fonctionne en mode gnratrice et rinjecte la puissance defreinage dans le stockeur dnergie. Lnergie rcupre est ensuite rin-jecte dans le systme de traction lors des phases suivantes dacclra-tion. Il existe actuellement diffrentes ralisations de vhicules hybridessur le march. Les exemples les plus connus sont la Toyota Prius quicombine un moteur essence de 1.5 litre (52 kW) avec un stockeurdnergie de type batterie [16] [35], la Honda Insight exploitant un mo-teur thermique de 1.0 l (50 kW) et une batterie [35] et la Honda CivicIMA compose dun moteur essence de 1.3 l et dune batterie [36].Cette technologie est actuellement connue, mais le nombre de cycles

charge-dcharge du stockeur dnergie reste un problme. Pour le cas dela Toyota Prius, utilisant une batterie de type Ni-MH, ce problme estrsolu en utilisant une faible profondeur de dcharge o seulement 40 %de la capacit nominale de la batterie est exploit [35]. Ainsi, la durede vie de la batterie est compatible avec celle dune voiture.Les figures 2.7, 2.8 et 2.9 prsentent les trois structures standard

pour les vhicules hybrides o la source dnergie primaire est composedun carburant. La figure 2.7 reprsente un vhicule hybride srie, lafigure 2.8 un vhicule parallle et la figure 2.9 un vhicule srie-parallle.Les avantages et les proprits de chacun de ces diffrents types devhicules sont donns dans [15] [29] [32].Pour les vhicules, quelle que soit leur source dnergie primaire,

il est possible dajouter un systme de stockage dnergie embarqu.Dans ce cas, le vhicule est qualifi dhybride et un systme dassistanceen puissance peut tre dfini. La puissance ncessaire pour la tractionest alors fournie conjointement par la source dnergie primaire et lestockeur dnergie.

17


Moteur thermique


Roues

Stockeur dnergie

Moteur / Gnrateur

Electronique de puissance

Carburant

Gnrateur

Fig. 2.7 Vhicule hybride srie

Moteur thermique


Roues

Carburant Stockeur dnergie

Moteur / Gnrateur

Couplage mcanique

Fig. 2.8 Vhicule hybride parallle

18


Moteur thermique


Roues

Carburant

Stockeur dnergie

Moteur / Gnrateur

Couplage mcanique

Repartiteur de puissance

Gnrateur

Fig. 2.9 Vhicule hybride srie - parallle

Par rapport un vhicule standard, lajout dun systme dassis-tance en puissance avec un stockeur dnergie embarqu prsente lesavantages des vhicules hybrides dont au moins une des deux sourcesdnergie est bidirectionnelle. Premirement, lnergie de freinage peuttre rcupre. Dans ce cas, le moteur lectrique fonctionne en modegnratrice et lnergie rcupre est stocke. Lors de lacclration sui-vante, lnergie stocke est rinjecte dans la chane de traction. Lagestion de la charge et de la dcharge du stockeur dnergie est ra-lise par un convertisseur statique. Le second avantage est associ aufait que deux sources dnergie sont disponibles bord. Ainsi, la puis-sance ncessaire pour la traction peut tre fournie conjointement parles deux sources. La premire source dnergie est ainsi dcouple, dupoint de vue de la puissance fournie, du moteur de traction. Elle peutainsi tre exploite pour fonctionner en permanence dans sa plage de

19

2.3. Concept de lassistance en puissance pour vhicules

fonctionnement meilleur rendement.Dans un cas de fonctionnement avec deux sources dnergie, la

premire source na pas besoin dtre dimensionne pour fournir lescontraintes leves en puissance lors des acclrations. Ainsi, il est pos-sible dutiliser un moteur de plus faible valeur associ cette premiresource dnergie. Ce concept de rduction sappelle "downsizing".Dans ce travail un systme dassistance en puissance est appel op-

timal lorsque le stockeur dnergie embarqu absorbe les contraintes enpuissance et que la source dnergie primaire est utilise pour fournir lapuissance moyenne du parcours complet.Ce concept dassistance en puissance permettant daugmenter le ren-

dement nergtique dun vhicule par rcupration de lnergie de frei-nage et par exploitation de la source dnergie primaire de manire opti-male est la solution qui est approfondie dans ce travail au sens de laug-mentation potentielle du rendement nergtique. La dernire section dece chapitre prsente le gain qui peut tre atteint sur la consommationnergtique du vhicule en fonction du type de vhicule et du parcours.Les contraintes en puissance dues la traction ont t reportes de la

source primaire sur le stockeur dnergie. Ce dernier doit donc avoir unedensit en puissance leve (W/kg) et une dure de vie suffisante. Lesdiffrents types de stockeurs possibles sont donns dans le chapitre 3.

2.3 Concept de lassistance en puissancepour vhicules

Le systme dassistance en puissance propos dans ce travail consiste ajouter un stockeur dnergie embarqu. Dans ce cas, lnergiemoyenne ncessaire la traction est fournie par la premire sourcednergie et toutes les excursions en puissance sont fournies par le sto-ckeur additionnel. Lors des phases de freinage, lnergie cintique duvhicule est convertie en nergie lectrique. Le moteur lectrique estalors utilis en mode gnratrice et lnergie produite est utilise pourrecharger le stockeur embarqu.La taille du stockeur est dtermine en fonction des caractristiques

du vhicule : masse, proprits dynamiques, etc et du parcours : vitessemaximale, pente, etc. Cette section prsente une mthode de dimen-sionnement de calcul optimal de la taille du stockeur dnergie dans le

20


but de maximiser le rendement nergtique du systme. Cette mthodese base sur un parcours acclration-freinage type compris entre deuxarrts.En fonction des diffrents paramtres pris en compte, il est possible

de dterminer si un systme dassistance en puissance permet effective-ment de diminuer la consommation nergtique du vhicule en prenanten compte lajout de poids d au stockeur embarqu. Par exemple, il estmontr dans ce chapitre que lors dun parcours o la dure de la phase vitesse constante est beaucoup plus longue que le temps dacclration,un stockeur embarqu ne permet pas de diminuer la consommation.

2.3.1 Contraintes en puissance sur un parcoursLe type de parcours retenu dans cette section ne comporte pas de

courbes, pas de passages dans des tunnels et la dclivit est constante.Il est constitu de 3 phases distinctes :1. Acclration. Lors de cette phase, la valeur de lacclration estconstante. Les contraintes dynamiques sur le vhicule sont doncidentiques pour tous les cas prsents.

2. Vitesse constante. Durant cette phase, la vitesse du vhicule estconstante. Les moteurs de traction fournissent seulement la forcencessaire pour contrer les forces sopposant lavancement duvhicule telles que les forces de friction et la force due la dclivit.

3. Freinage. Dans ce cas, la valeur de lacclration est constante etest gale celle de la phase 1, mais est de signe oppos.

La modlisation du vhicule est prsente dans la figure 2.10. Laforce Fin correspond la force produite par le vhicule et la force Fexaux forces extrieures au vhicule (frottement et dclivit). La masse mcorrespond au poids vide du vhicule et langle correspond langleform entre lhorizontale et le vhicule.Il est ds lors possible de donner lquation suivante [37] :

Fin Fex = m a (2.2)Dans ce cas, la masse m correspond la masse corrige du vhicule

qui prend en compte linertie des masses en mouvement dans le vhicule(coefficient ) [37] [38] et pour plus de dtails, voir la section 2.10. Lamasse me correspond la masse embarque dans le vhicule.

21


v mFin

F=mg

Fex

Fig. 2.10 Reprsentation des forces dans un vhicule

Dans ce cas, la masse corrige du vhicule est la suivante :

m = m + me (2.3)

Les forces extrieures au vhicules Fex sont donnes par lquationsuivante :

Fex = Ff + Fd (2.4)

La force Ff correspond la force de frottement, elle est donne par :Ff = Af v2 + Bf v + Cf . La force Fd correspond la force due ladclivit et vaut : Fd = sin() (m + me) g. Dans le cas o la dcliviti est exprime en pour mille, langle est donn par : tan() = i 1000.Il est en gnral possible de confondre le sinus et la tangente pour desdclivits infrieures ou gales 120 [37] [38].En faisant lhypothse que tous les composants du systme sont

idaux (rendement unitaire), la puissance ncessaire aux roues est don-ne par la relation :

P = (m a + Fex) v (2.5)Dans cette quation, une puissance positive correspond la puis-

sance consomme par le systme de traction et une puissance ngativecorrespond une puissance rcupre par le systme de traction. Dansun vhicule standard sans stockeur dnergie, toute la puissance nga-tive, notamment lors des phases de freinages, est dissipe.Lnergie correspond lintgrale de la puissance lorsque celle-ci est

positive. Dans le cas o le parcours ne prsente pas de dclivit, lapuissance est positive lors des phases 1 et 2. Lnergie dissipe sur le

22


parcours correspond lintgrale de la puissance lorsque celle-ci est n-gative. Dans le cas o le parcours na pas de dclivit, la puissance estngative lors de la phase 3.

Dpendance en fonction de la masse vide du vhicule

Cette section prsente la dpendance entre la puissance de tractionet la masse du vhicule. Dans cet exemple, les forces de frottement aro-dynamiques correspondent un vhicule de type tram, les rendementsdes diffrents composants de la chane de traction sont supposs idaux,le vhicule est charg de 200 passagers de 80 kg et le parcours ne pr-sente pas de dclivit. La vitesse atteinte par le vhicule est de 70 km/h,son acclration est de 1.2 m/s2 et lhypothse est faite que les forces defrottement arodynamique sont indpendantes de la masse du vhicule.La figure 2.11 prsente les courbes des puissances pour quatre valeursde poids vide du vhicule.

0 10 20 30 40 50 60 703

2

1

0

1

2

3

Puissance = f(m)

Temps (s)

Puis

sanc

e [M

W]

m = 20tm = 40tm = 60tm = 80t

Fig. 2.11 Contraintes en puissance en fonction de la massedu vhicule (vhicule charg de 200 personnes)

Le tableau 2.1 prsente lnergie consomme et lnergie dissipe parle vhicule pour les quatre cas de poids vide du vhicule. Il est noter

23


Poids vide Energie Energie Energie[t] consomme dissipe dissipe

[kWh] [kWh] [%]20 t 3.65 2.05 5640 t 4.95 3.34 6760 t 6.26 4.65 7480 t 7.56 5.95 78

Tab. 2.1 Energie consomme et nergie dissipe en fonctionde la masse du vhicule (vhicule charg de 200 personnes)

que lnergie consomme et lnergie dissipe augmentent proportionnel-lement par rapport la masse vide du vhicule. Du fait que le tempsdacclration est important (30 %) par rapport au temps du parcourscomplet, lnergie correspondant aux forces de frottement est faible parrapport lnergie fournie lors de lacclration. Ainsi, dans tous lescas prsents dans cette section, lnergie dissipe correspond plus de56 % de lnergie fournie aux roues lors des acclrations. Dans le cas leplus dfavorable (m = 80 t), jusqu 78 % de lnergie fournie aux rouesest dissipe lors des freinages.Un systme dassistance en puissance avec un stockeur embarqu

permet de rduire la consommation nergtique du vhicule par un fac-teur correspondant lnergie dissipe. Le gain sur la consommation estdonc compris entre 56 et 78 % pour les cas prsents dans cette section.

Dpendance en fonction de la dclivit

Cette section prsente la relation existant entre la dclivit et lner-gie ncessaire pour un vhicule. Dans ce cas, le type de vhicule estidentique au cas prsent dans la section prcdente. Les contraintesdynamiques et la longueur du parcours sont galement identiques. Lepoids vide du vhicule est de 40 tonnes et la masse embarque corres-pond 200 passagers de 80 kg.La figure 2.12 prsente les courbes de puissance en fonction de la

dclivit . Une valeur ngative correspond une descente et une valeurpositive une monte.Dans le cas dune descente de -9, la puissance du moteur est en

24


0 10 20 30 40 50 60 704

3

2

1

0

1

2

3

4

Puissance = f()

Temps (s)

Puis

sanc

e [M

W]

= 9 = 6 = 3 = 0 = 3 = 6 = 9

Fig. 2.12 Contraintes en puissance en fonction de la pente

permanence ngative, et donc aucune nergie nest consomme. Lorsdune monte de 9, la puissance du moteur est en permanence positive.Le potentiel dnergie qui peut tre rcupr lors du freinage est alorsnul.Le tableau 2.2 prsente lnergie consomme et lnergie dissipe en

fonction de la dclivit. Pour des pentes suprieures 9, lajout dunsystme de stockage dnergie pour rcuprer lnergie de freinage nepermet pas de diminuer la consommation du vhicule. Dans tous lesautres cas, un stockeur dnergie permet de diminuer la consommationnergtique du vhicule. Le gain est alors de 2.5 % pour une pente de 6.Dans le cas dune descente avec une forte pente, lnergie pouvant

tre rcupre est suprieure lnergie ncessaire sur le parcours. Surun parcours de ce type, un systme dassistance en puissance dimen-sionn sur le parcours complet (monte et descente) permet de diminuerla consommation nergtique du vhicule en rcuprant lnergie lors dela descente et en la rinjectant lors de la monte. Ce principe sera pr-sent dans le chapitre 5, o un vhicule de type diesel-lectrique est priscomme exemple.

25


Energie Energie Energie[] consomme dissipe dissipe

[kWh] [kWh] [%]-9 0 22.3 100-6 0.89 15.3 100-3 2.33 8.72 1000 4.95 3.34 67.53 11.5 1.90 16.56 18.0 0.46 2.69 25.5 0 0

Tab. 2.2 Energie consomme et nergie dissipe en fonctionde la dclivit

2.3.2 Systme optimal dassistance en puissance

Cette section prsente la mthode de dimensionnement du systmede stockage embarqu optimal pour raliser la fonction dassistance enpuissance sur un parcours acclration-freinage. Dans ce cas, la premiresource dnergie est dimensionne pour fournir la puissance moyennesur la totalit du parcours incluant les phases acclration - vitesseconstante - freinage. Toutes les contraintes en puissance scartant de lavaleur moyenne sont fournies par la seconde source dnergie embarque,dans ce cas le stockeur dnergie.Le parcours type est identique celui qui a t retenu dans les deux

sections prcdentes. La masse vide du vhicule est de 40 tonnes, ilest charg de 200 personnes de 80 kg et le parcours ne prsente pasde dclivit. La figure 2.13 prsente les courbes de puissances pour cecas de vhicule avec et sans stockeur dnergie. Dans le cas comportantun stockeur dnergie embarqu, la correction due laugmentation depoids est prise en compte. La densit en nergie du stockeur pour cecalcul est de 15 kJ/kg et correspond un stockeur dnergie de typesupercapacitif. La mthode itrative de calcul retenue est :

1. Calcul de la puissance totale et de la puissance moyenne sur leparcours pour le vhicule sans stockeur dnergie

2. Calcul de la puissance devant tre fournie ou rcupre par lestockeur Psc = Pmo < Pmo >

26


0 10 20 30 40 50 60 701.5

1

0.5

0

0.5

1

1.5

2

Puissances avec et sans stockeur

Temps (s)

Puis

sanc

e [M

W]

Puissance sans stockeurPuissance avec stockeurPuissance du stockeur

Fig. 2.13 Contraintes en puissance avec un systmedassistance en puissance optimal

3. Calcul de la variation dnergie sur le stockeur Esc =

Psc dt

4. Calcul de la masse du stockeur correspondant lexcursion maxi-male dnergie max(Esc)min(Esc)

5. Calcul de la puissance totale et de la puissance moyenne en ajou-tant la masse du stockeur la masse vide du vhicule. Cetteboucle de calcul est effectue trois fois.

Dans le cas sans stockeur dnergie, lnergie utilise pour le parcoursest de 4.95 kWh. Dans le cas o un stockeur dnergie est embarqu,lnergie fournie par la premire source dnergie est de 1.61 kWh, lapuissance est constante et vaut 88 kW. La diminution de consommationest de 67 %, et elle est obtenue en utilisant un stockeur de 2.85 tonnes(3.96 kWh).

27


2.3.3 Gain sur le rendement nergtique en fonctionde la longueur du parcours et du poids videdu vhicule

Cette section prsente le gain quil est possible dobtenir en ajou-tant un systme de stockage dnergie embarqu dans un vhicule. Lesrsultats sont prsents pour deux types de vhicules diffrents qui sediffrencient par leurs forces de frottement. Le premier correspond unvhicule de type tram et le second un vhicule lger de type scooter.Dans le premier cas, la masse embarque est de 0 kg alors que dans lesecond, le poids embarqu correspond une personne de 80 kg.

Les rsultats montrs dans ce chapitre sont donns pour un parcoursdont la longueur varie entre 0 et 10 km et pour un poids vide duvhicule compris entre 0 et 100 t pour le premier exemple et entre 0 et1 t pour le second exemple. Dans tous les graphiques prsents dans lasuite de ce chapitre, laxe reprsentant le poids vide du vhicule neprend pas en compte le poids du stockeur dnergie. Toutefois, dans lescalculs de la consommation et du gain sur le rendement nergtique, cepoids additionnel est pris en compte.

Le gain sur la consommation dnergie est dpendant de la vitessemaximale atteinte par le vhicule sur le parcours. Deux vitesses ont tretenues : 75 et 25 km/h. Dans tous les graphiques prsents dans cettesection, la valeur de lacclration est de 1.2 m/s2.

Le graphique 2.14 prsente la consommation pour un vhicule dontles caractristiques des forces de frottement correspondent un tramsur un parcours sans dclivit en fonction du poids du vhicule et dela longueur du parcours. Dans le cas o le poids du vhicule est faible(infrieur 5 tonnes), les forces de frottement sont du mme ordre degrandeur que la force produite par le vhicule Fin lors de lacclration.Ainsi, la consommation du vhicule est trs peu dpendante de sa massedans ce cas.

Lorsque le poids du vhicule est suprieur 5 tonnes, la dpendanceentre lnergie consomme et le poids est linaire. Dans ce cas, lnergiencessaire vaincre les forces de frottement est faible par rapport lnergie ncessaire pour acclrer le vhicule. Lnergie pour acclrer

28


020

4060

80100

0

5000

100000

5

10

15

20

25

Poids du vhc (t)

Energie consomme vhc standard [kWh]

Longueur parcours (m)

Fig. 2.14 Energie consomme par le vhicule sans stockeur ;vhc de type tram, me = 0 t, vmax = 75 km/h

le vhicule Ea est dpendante linairement de la masse :

Ea = Ta

0

F v dt = Ta

0

m a2 dt (2.6)

La figure 2.15 prsente la masse du stockeur qui doit tre embarqudans le vhicule selon le dimensionnement optimal de ce dernier. La puis-sance de la premire source dnergie correspond ds lors la moyennede la puissance lors du parcours complet et toutes les contraintes enpuissance sont fournies par la seconde source dnergie (stockeur). Ladensit nergtique du stockeur est de 15 kJ/kg et correspond unstockeur de type supercapacitif.La figure 2.16 prsente la diminution de la consommation nerg-

tique du vhicule lors de lajout dun systme dassistance en puissanceavec un stockeur dnergie embarqu. La diminution est la plus leve,suprieure 80 %, lorsque le parcours est court (moins de 1 km). Ceciest d au rapport entre lnergie ncessaire pour acclrer le vhiculeEa et lnergie ncessaire pour vaincre les forces de frottement Ef .

29


020

4060

80100

0

5000

100000

500

1000

1500

2000

Poids du vhc (t)

Taille du stockeur [kg]


Fig. 2.15 Taille optimale du stockeur ; vhc de type tram,me = 0 t, vmax = 75 km/h

020

4060

80100

0

5000

100000

20

40

60

80

100

Poids du vhc (t)

Diminution de la consommation [%]


Fig. 2.16 Rduction de la consommation ; vhc de typetram, me = 0 t, vmax = 75 km/h

30


La figure 2.17 prsente le gain sur la consommation nergtiquelorsque le mme vhicule acclre dans les mmes conditions jusquune vitesse de 25 km/h. Dans ce cas, lnergie pour acclrer le vhiculeEa est plus faible que dans le cas prcdent et une importante rductionde la consommation nergtique est seulement observe pour de faiblesdistances. La dcroissance est plus rapide que dans le cas prcdent.

020

4060

80100

0

5000

100000

20

40

60

80

100

Poids du vhc (t)



Fig. 2.17 Rduction de la consommation ; vhc de typetram, me = 0 t, vmax = 25 km/h

La figure 2.18 prsente le graphique de la rduction de la consom-mation pour un vhicule de type scooter o une personne de 80 kg estajoute au poids vide du vhicule. Dans ce cas, pour un poids videdu vhicule infrieur 80 kg, lajout dun systme de stockage dnergiene permet pas de diminuer la consommation nergtique du vhicule.Pour un parcours de plus de 2 km, la rduction de la consommation estgalement nulle.

31

2.4. Conclusion

00.2

0.40.6

0.81

0

5000

100000

20

40

60

80

Poids du vhc (t)



Fig. 2.18 Rduction de la consommation ; vhc de typescooter, me = 80 kg, vmax = 75 km/h

2.4 Conclusion

Ce chapitre a prsent les diffrentes possibilits pour diminuer lesmissions polluantes dues aux vhicules. Deux approches diffrentespeuvent tre suivies : la premire concerne lutilisation de vhicules uti-lisant une source dnergie autre que le ptrole et la seconde consiste amliorer le rendement nergtique du vhicule.Pour la premire approche, il est possible de remplacer le combus-

tible par exemple par une batterie, un volant dinertie ou un systmede stockage air comprim. Pour la seconde approche, il est possibledajouter un systme dhybridation du vhicule par lajout dun stockeurdnergie embarqu. Dans ce cas, lnergie usuellement dissipe lors desfreinages dans un vhicule standard est rcupre et est rinjecte dansle systme de traction lors de lacclration suivante. Ce principe estcelui qui est retenu pour la suite de ce travail.En ajoutant un stockeur dnergie embarqu, il est possible de ra-

liser un systme dassistance en puissance. Dans ce cas, la puissance

32

2.4. Conclusion

moyenne de traction est fournie par la premire source dnergie et lescontraintes en puissance sont fournies par le stockeur dnergie. La tailledu moteur associ la premire source dnergie peut tre diminue, ilsagit du concept de downsizing. Dans le cas o le premier moteur estde type thermique, il est possible de lexploiter en permanence dans saplage de fonctionnement haut rendement (la puissance fournie par cemoteur est constante).Le gain quil est possible datteindre par lajout dun systme de

stockage dnergie a t dtermin dans ce chapitre. Ce calcul a t faitpour diffrents types de vhicules et pour diffrents parcours. Ainsi, legain est le plus important lorsque la distance entre deux arrts est faible.Le systme dassistance en puissance est associ un stockeur dner-

gie embarqu. Le chapitre 3 prsente les diffrents types de stockeursqui peuvent tre utiliss bord de vhicules. Les chapitres suivants pr-sentent les rsultats dtaills pour trois catgories de vhicules diffrents.

33

2.4. Conclusion

34

Chapitre3Les diffrents types daccumulateurs

dnergie

3.1 Introduction

Le chapitre 2 a prsent les diffrentes possibilits pour augmen-ter le rendement nergtique des vhicules et diminuer les impacts surlenvironnement. La solution qui est tudie dans cette thse consiste ajouter un systme dassistance en puissance avec un stockeur dnergieembarqu et de conserver la source dnergie qui est dj prsente dansle vhicule. Les structures pour connecter le stockeur dnergie dans levhicule sont identiques aux vhicules hybrides et ont t prsentesdans le chapitre 2. En fonction du type de couplage, laccumulateurdnergie embarqu peut tre de type mcanique ou lectrique.Ce chapitre prsente les diffrents types daccumulateurs dnergie

qui ont les proprits requises pour la fonction dassistance en puissancepour les vhicules [39]. Une de ces proprits est la bidirectionnalit ennergie du stockeur pour rcuprer de manire optimale lnergie defreinage et la rinjecter dans le systme de traction lors des acclra-

35

3.2. Types daccumulateurs dnergie pour les vhicules

tions suivantes. La seconde partie de ce chapitre prsente une comparai-son entre les diffrentes technologies daccumulateurs. Les critres rete-nus sont la densit nergtique (J/kg), la densit de puissance (W/kg),lnergie quil est possible dextraire du stockeur en fonction de la puis-sance de dcharge et la dure de vie.Ce chapitre se limite prsenter les stockeurs dnergie pouvant

tre intgrs dans un vhicule. Les stockeurs destins tre utilissde manire fixe, par exemple le stockage par air comprim dans descavernes ou le stockage potentiel deau dans des barrages, ne sont doncpas prsents.

3.2 Types daccumulateurs dnergie pourles vhicules

Le chapitre 2 a prsent les diffrentes structures de couplages entrele stockeur dnergie et le systme de propulsion pour raliser une fonc-tion dassistance en puissance. Les accumulateurs dnergie pouvant treutiliss dans un vhicule pour raliser une fonction dassistance en puis-sance se classifient en deux catgories distinctes :

Stockeurs mcaniques Stockeurs lectriques

Pour toutes les structures de vhicules ayant un lien lectrique entrele stockeur dnergie et les autres composants de traction, la sourcednergie secondaire peut tre soit un stockeur lectrique, soit un sto-ckeur mcanique. Dans le second cas, un moteur-gnrateur lectriqueest utilis pour convertir lnergie mcanique du stockeur en nergie lec-trique directement utilisable bord du vhicule. Pour les vhicules utili-sant un lien mcanique pour le couplage des diffrentes sources dnergie bord, seul un stockeur mcanique peut tre utilis de manire directe.

3.2.1 Accumulateurs dnergie de type mcanique

Les deux types de stockeurs dnergie sous forme mcanique qui sontprsents dans ce chapitre sont le volant dinertie et le stockage par aircomprim.

36


Volant dinertie

Un volant dinertie est constitu par la mise en rotation dune masseautour dun axe [40]. La figure 3.1 prsente le schma du volant diner-tie utilis dans les bus de la ville de Ble [22] [7]. Ce volant dinertieest fabriqu par lentreprise Magnet-Motor, Allemagne. Dans ce cas, lerotor est compos de fibres de carbone et est reprsent en noir dans lafigure 3.1. Le couplage avec le reste du systme de traction est ralispar un lien lectrique. Un moteur-gnrateur a t directement intgravec le volant dinertie comme il est possible de le voir sur la figure 3.1.

permanent magnets(rotating part of themotor / generator)

carbonfibre rotor

vacuumhousing

Stator of themotor / generator

Permanentmagneticradial bearing

Superconductingaxial + radialmagnetic bearing

Touch-downbearings

Fig. 3.1 Volant dinertie fabriqu par Magnet-Motor, utilisdans les bus de Ble ; Source : [22]

Dans un volant dinertie, lnergie est stocke sous forme cintiquepar la mise en rotation dune masse laide dun moteur lectrique.La dcharge est effectue en utilisant la fonction gnratrice du moteurpour produire de lnergie lectrique partir de lnergie mcanique derotation.Lnergie stocke dans un volant dinertie est la suivante :

Ec =12 I 2 (3.1)

avec : Ec : Energie cintique de rotation [J] I : Moment dinertie [kg m2] : Vitesse angulaire [s1]

37


La densit nergtique dun volant dinertie est directement lie lamasse du rotor, sa vitesse de rotation et aux matriaux utiliss pourle rotor. Pour les volants dinertie rcents, la masse en mouvement estcompose de matriaux composites haute nergie massique [41] alorsque les anciens volants dinertie taient composs dun disque en mtal.La puissance maximale de charge et de dcharge du volant dinertie

est fixe par la puissance du moteur lectrique lui tant associ. Pourgarantir un haut rendement de ce type de stockeur et un taux dau-todcharge faible, des paliers spciaux sont utiliss et lenceinte danslaquelle le rotor est mis en rotation est sous faible pression [7]. Dansles volants dinertie rcents, les paliers utiliss sont trs souvent de typemagntique, comme cest le cas du volant dinertie des bus de Ble [22]et tout le systme incluant le moteur-gnrateur est mont dans uneenceinte hermtique sous vide.Les principaux avantages de ce type de stockeur dnergie sont : Ecologique ; le systme ne comporte pas de produits chimiques quidoivent tre recycls

Charge et dcharge rapides ; la puissance de charge et de dchargeest directement lie la puissance du moteur lectrique associ

Dure de vie leve ; elle peut atteindre 100 000 cycles [42] Faibles cots de maintenance ; pas de dgradation de la quantitdnergie pouvant tre stocke en fonction du nombre de cyclesaccomplis [43]

Haut rendement nergtique ; le rendement de ce type de stockeurest suprieur 89 %

Les dsavantages de ce type daccumulateur dnergie sont : Risques pour les passagers ; la masse en rotation peut tre projeteen cas daccident

Effets gyroscopiques ; ils sont dus la masse en rotation dans levhicule [43]

Vitesse de rotation leve ; elle est ncessaire pour garantir unedensit en nergie suffisante et impose de fortes contraintes sur lespaliers

Moteur lectrique de taille importante ; la densit en puissance estdirectement lie la puissance du moteur lectrique associ

38


Dans la majorit des applications utilisant un volant dinertie, lacommande du moteur lectrique associ est ralise par un convertisseurstatique de type DC/AC. Il est utilis pour grer la puissance de charge,respectivement de dcharge du volant dinertie. Ce type de convertisseurna pas un rendement unitaire, des pertes supplmentaires sont doncajoutes dans le systme [8].Les bus de Ble[22] sont un exemple de vhicules utilisant un volant

dinertie embarqu. Ds 1992, 12 bus de ce type sont exploits et chacuna plus de 200 000 heures dutilisation. La structure interne du volantdinertie utilis est reprsente dans la figure 3.1 et a t fabrique parlentreprise Magnet-Motor. Le poids du stockeur dnergie est de 1200 kgpour une nergie nominale stocke de 5 kWh et une puissance lectriquede 250 kW. La figure 3.2 reprsente une photo dun de ces bus avec levolant dinertie intgr lavant du vhicule.

Fig. 3.2 Photo du volant dinertie utilis dans les bus deBle ; Source : www.tbus.org.uk

Un autre vhicule utilisant un stockeur dnergie compos dun vo-lant dinertie embarqu est le tramway Citadis fabriqu par lentrepriseAlstom [44] [23]. Il est actuellement en cours de dveloppement et de

39


test dans la ville de Rotterdam. La photo 3.3 montre un tram de typeCitadis. La figure 3.4 reprsente le systme complet de stockage dner-gie qui a t ajout sur le toit du tram. Il comprend le volant dinertieet tous les composants annexes qui sont utiliss pour interfacer le volantdinertie avec les autres composants de traction.

Fig. 3.3 Photo dun tram de type Alstom Citadis dans laville de Rotterdam ; Source : www.collectiftramway.free.fr

Fig. 3.4 Photo du volant dinertie du tramway AlstomCitadis ; Source : [23]

40


Une ralisation exploitant un volant dinertie dans un rseau de v-hicules aliments par catnaire a t dveloppe en partenariat entrelentreprise Urenco Power Technologies et la socit exploitant les m-tros de Londres [45]. Dans ce cas, le volant dinertie nest pas embarqudans un vhicule, mais est connect directement la catnaire. En fonc-tion de la tension de ligne, le stockeur injecte, respectivement prlvede la puissance directement sur la catnaire. Ainsi, lorsquun vhiculefreine proximit du stockeur, la puissance rinjecte sur la catnairepeut tre rcupre par le stockeur, ce principe a t expliqu dans [46].Des volants dinertie sans convertisseur de frquence ont t utiliss

dans des vhicules des transports publics de la rgion dYverdon [21]. Cesvhicules, nomms Gyrobus, ont t mis en service en 1953 et exploitspendant 7 ans. La seule source dnergie bord du vhicule tait levolant dinertie. Ce vhicule tait une premire mondiale exploitant cesystme de propulsion.La densit de puissance dun volant dinertie rcent est compatible

avec les exigences poses par un vhicule. Toutefois, des limites probl-matiques sont vite atteintes du point

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