Universit Pierre et Marie Curie

Ecole doctorale ED391

Sciences mcaniques, acoustique, lectronique & robotique de Paris

Thse de doctorat de Physique

prpare au

Laboratoire Gnie lectrique et lectronique de Paris

Optimisation nergtique

de

chanes de traction lectries

Prsente par

Francis ROY

Dirige par Florence OSSART

soutenue publiquement le 01 Juin 2015

Devant un jury compos de :

Sylvain ALLANO Directeur Scientique de PSA Peugeot Citron ExaminateurStphane CAUX Matre de confrences l'INPT/ENSEEIHT RapporteurPhilippe GUIBERT Professeur l'Universit Pierre et Marie Curie ExaminateurDaniel HISSEL Professeur l'Universit de Franche-Comt Prsident du juryClaude MARCHAND Professeur l'Universit Paris-Sud Co-encadrantFlorence OSSART Professeur l'Universit Pierre et Marie Curie Directrice de thseRochdi TRIGUI Directeur de recherches l'IFSTTAR Rapporteur

Rsum

Les proccupations environnementales croissantes lies aux missions de gaz effetde serre et la rarfaction des nergies fossiles amnent les constructeurs automobiles proposer des vhicules de plus en plus efficients. Aujourdhui, une des voies lesplus prometteuses concerne lhybridation des chanes de traction conventionnelles.Les travaux de recherche prsents dans ce mmoire sont focaliss sur lhybridationthermique/lectrique applique aux vhicules HEV. Ils prsentent une mthodologiede conception optimale pour identifier des voies de progrs et orienter la dfinitionde futures chanes de traction haut rendement nergtique. Ils sont bass sur unedmarche dingnierie systmique qui sappuie sur trois principaux leviers : larchi-tecture de la chane de traction, la stratgie de gestion nergtique et la dfinitiondes organes lectriques de puissance. Diffrentes architectures de chanes de trac-tion hybrides lectriques (srie, parallle et combine) sont compares en se basantsur la consommation minimale atteignable par chacune dentre elles sur des cyclesdhomologation (NEDC, WLTC) et reprsentatifs dusages clients (INRETS). Pourdterminer ces seuils de consommation, une stratgie de commande optimale basesur un algorithme de programmation dynamique est dveloppe. Les rsultats desimulations mettent en vidence lintrt de lhybridation parallle pour concevoirune chane de traction efficiente.A chaque instant des cycles suivis, les sollicitations des organes lectriques de puis-

sance (machine lectrique et batterie) sont dtermines et analyses pour en spcifierun dimensionnement optimal. Les situations de vie et les plages de fonctionnementde la machine lectrique pour lesquelles elle doit tre optimise sont identifies. Deuxstructures de machines lectriques (rotor bobin et aimants permanents), drivesdun alterno-dmarreur, ont t modlises par rseaux de rluctances pour tablirdes cartographies de pertes et comparer la performance en missions de CO2 duvhicule. Cette approche permet didentifier des axes damliorations tant sur leplan de larchitecture de la chane de traction que de la conception des organes. Onmontre quune solution de type alterno-dmarreur permettrait des gains denviron33% en missions de CO2 par rapport au vhicule conventionnel. Une concertationavec un quipementier fournisseur de cette technologie peut donc tre engage pourconfirmer la pertinence de cette proposition.

Mots cls : Vhicule hybride, conception systmique, gestion nergtique, com-mande optimale, programmation dynamique, modlisation, machine lectrique,rseaux de rluctances.

i

Energetic optimization of hybridelectric powertrains

Abstract

On-going oil stock depletion and growing environmental concerns lead automak-ers to develop more efficient powertrains. Today, one of the most promising wayforward consists in research on hybrid systems. The present work is focused on ther-mal/electric hybridization for HEV vehicle and presents an optimal methodology toidentify key guidelines and design efficient systems. Defining the most promisingefficient powertrain requires a systemic design which is based in this study on threemain levers : powertrain architecture, energy management and electric componentsdesign. Different powertrains architectures (series, parallel and combined) are com-pared to the lowest fuel consumption that can be reached by each powertrain fora given driving cycle (NEDC, WLTC and INRETS ones). Their optimal energeticperformances are determined by using optimal control strategies and dynamic pro-gramming. The simulations results show that the most promising hybrid powertrainis the parallel one.At each step of time of the drivings cycles, the parallel hybrid powertrain behavior

is more closely analyzed so as to provide technical specifications for an optimal sizingof the electric components : electric machine and battery. It points out the operatingpoint and the driving cycles for which the electric machine has to be optimized.Two electric machines topologies (wound rotor and permanent magnets), derivedfrom a starter-alternator architecture, are modeled by using reluctance network toprovide losses map and compare CO2 saving of the vehicle. This approach has bothidentified areas for powertrain architecture improvement and components designoptimization to achieve a better global efficiency of the system. It is shown that astarter-alternator could provide 33% of CO2 saving compared to a conventional car.The relevance of this proposal can now be discussed with an automotive supplier ofthis technology.

Keywords: Hybrid Electric Vehicle (HEV), systemic design, energy management,optimal control, dynamic programming, electric machine design, reluctancenetwork.

v

Remerciements

Je tiens remercier Frdric Bouillault, ex-directeur du LGEP 1, pour laccueilquil ma rserv au sein de son laboratoire, pour avoir facilit mon intgration etmavoir permis de mener bien ces travaux de recherche dans un cadre la foisagrable, convivial et dynamique o de fortes comptences scientifiques se ctoientau quotidien au profit de lensemble des tudes menes par les quipes de recherche.Je remercie tout particulirement Claude Marchand, directeur du GeePs et co-

encadrant de cette thse, pour sa disponibilit, ses conseils sur lorientation destravaux et pour lenseignement prodigu sur la thorie de la fe lectricit et lesbases de la conception des machines lectriques.Jadresse ma plus profonde gratitude Florence Ossart, directrice de thse, qui de

par son esprit de comptition a su stimuler lactivit pour la porter un haut niveauscientifique tant sur le plan des thories mathmatiques que sur leur programmationpour garantir la robustesse et la rapidit dexcution des codes de calcul. Je ne peuxque souligner aussi son esprit de synthse qui a contribu la bonne avance de cestravaux et leur valorisation dans des articles scientifiques.Je remercie galement Sylvain Allano, directeur scientifique du groupe PSA Peu-

geot Citron, pour avoir mis en place le principe de doctorat excutif qui donne lapossibilit des salaris dau moins 5 ans dexprience au sein du groupe de mener bien une thse. Sylvain a su me convaincre de mengager dans cette aventure,o lexprience et la dynamique intellectuelle sont des vecteurs propices la bonneconduite de travaux de recherche. Je fais partie des pionniers de ce nouveau modede fonctionnement qui favorise le rapprochement entre le monde acadmique et lin-dustrie, volution indispensable pour diminuer les temps de conception et favoriserlmergence de nouvelles technologies. Jespre que cette tude servira dexemple etsuscitera dautres vocations.Je tiens exprimer ma reconnaissance Dominique Sadoul, responsable du d-

partement APWE (Advanced Powertrains & Energy) de PSA Peugeot Citron, et Stphane Laurent, responsable de lentit CPIA (Conduite de Projets en IngnierieAvance) pour mavoir permis et facilit durant 3 annes la bonne excution de cestravaux de recherche au sein du GeePs.Je tiens remercier Franois Sudan, ex-directeur du Programme Vhicule 2l au

100 km de la Plateforme de la Filire Automobile (PFA) et avec qui jai collabor

1. Le laboratoire de Gnie lectrique de Paris (LGEP) est devenu depuis Janvier 2015 le labo-ratoire Gnie lectrique et lectronique de Paris (GeePs)

vii

Remerciements

dans un pass rcent la conception dun vhicule Range Extender, pour ses conseilset pour mavoir fait bnficier de toute son exprience du domaine automobile.Je souhaite galement exprimer ma reconnaissance Guillaume Krebs pour mavoir

aid au quotidien dans la bonne avance des dveloppements des modles de ma-chines lectriques et Olivier Hubert pour son assistance sur le plan informatiqueet pour mavoir dot de moyens de calculs trs performants.Je remercie Claude Gazo, Matre de confrence associ au Laboratoire Conception

de produits et Innovations de lENSAM et expert consultant en mthodologie TRIZ,pour sa contribution ltude.Je remercie galement Martina Catania et Ghislain Despret pour leurs contri-

butions au travers de stages ingnieurs et M2 qui ont port respectivement sur ledveloppement de modles nergtiques vhicules et sur la conception de machineslectriques. Je leur souhaite chacun une brillante carrire.Je me permets un clin doeil lensemble du personnel du GeePs pour leur sym-

pathie et en particulier pour tous ceux qui a un moment donn mont apport leuraide pour la bonne avance de ces travaux de recherche.Mes remerciements sadressent aussi lensemble du personnel de PSA Peugeot

Citron qui ma aid mener bien cette tude et avec qui jai t amen changersur les rsultats atteints.Enfin, je ddie ces travaux mon pouse et mes enfants Matthieu et Stpha-

nie qui furent les premiers surpris lorsque je leur ai annonc que jallais redevenirtudiant !

viii

Table des matires

Rsum i

Abstract v

Remerciements vii

Table des matires ix

Table des figures xv

Liste des tableaux xxi

Liste des abrviations xxiii

Introduction 1

Contexte et tat de lart 5

1 Le contexte environnemental et conomique de lautomobile 71.1 Le march automobile actuel et ses perspectives . . . . . . . . . . . . 71.2 Ptrole et automobile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.3 Les missions de CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.3.1 Le rchauffement climatique et ses consquences . . . . . . . . 111.3.2 Le transport automobile et les missions de gaz effet de serre 13

1.4 Les actions gouvernementales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.5 Homologation des automobiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.5.2 Rglement R101 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.5.3 Rglement WLTP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.5.4 Autres cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.6 Usages et attentes des clients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.6.1 Usages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.6.2 Attentes des clients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

ix

TABLE DES MATIRES

1.7 Le march des vhicules hybrides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2 Lhybridation 312.1 Dfinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.2 Les familles dhybrides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.2.2 Lhybridation srie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.2.3 Lhybridation parallle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.2.4 Lhybridation combine, mixte ou drivation de puissance . . 37

2.3 Les composants des chanes de traction hybride . . . . . . . . . . . . 412.3.1 Le moteur combustion interne . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.3.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.3.1.2 Bilan nergtique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.3.1.3 Rendement dun moteur combustion interne . . . . 432.3.1.4 Consommation spcifique . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.3.2 Le stockage de lnergie lectrique . . . . . . . . . . . . . . . . 452.3.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.3.2.2 Dfinition des principales grandeurs caractristiques

dune batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462.3.2.3 Le rendement des batteries . . . . . . . . . . . . . . 462.3.2.4 Modlisation des batteries . . . . . . . . . . . . . . 47

2.3.3 Les machines lectriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482.3.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482.3.3.2 Principe de conversion dnergie . . . . . . . . . . . . 492.3.3.3 Dfinition du rendement du systme lectromcanique 522.3.3.4 Dtermination du couple lectromagntique . . . . . 522.3.3.5 Modlisation : principes . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.3.4 Les organes mcaniques de transmission de puissance . . . . . 572.3.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572.3.4.2 Les rducteurs et les botes de vitesses . . . . . . . . 582.3.4.3 Les CVT (Continuous variable transmission) . . . . . 59

2.4 La gestion nergtique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Etude thorique doptimisation nergtique 65

3 Gestion nergtique des chanes de traction hybrides : approche tho-rique et numrique 673.1 Prsentation du systme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683.2 Approche thorique des problmes doptimisation . . . . . . . . . . . 70

3.2.1 Dfinition du problme doptimisation . . . . . . . . . . . . . 703.2.2 Principe du maximum de Pontriaguine . . . . . . . . . . . . . 703.2.3 Principe doptimalit de Bellman . . . . . . . . . . . . . . . . 72

x

TABLE DES MATIRES

3.3 Rsolution numrique du problme doptimisation . . . . . . . . . . . 743.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 743.3.2 Rcriture du problme doptimisation . . . . . . . . . . . . . 743.3.3 Choix de la commande u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 743.3.4 Dtermination de la consommation . . . . . . . . . . . . . . . 753.3.5 Rsolution numrique base sur le principe du maximum de

Pontriaguine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 763.3.6 Rsolution numrique par programmation dynamique . . . . . 77

3.3.6.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 773.3.6.2 Intgration des contraintes . . . . . . . . . . . . . . . 79

3.3.7 Comparaison entre les mthodes de Pontriaguine et de Bellman 803.4 Equation dvolution du systme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

3.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 823.4.2 Conventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 823.4.3 Equation dvolution de ltat de charge de la batterie . . . . . 833.4.4 Cas de lhybridation srie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

3.4.4.1 Description de larchitecture organique . . . . . . . . 843.4.4.2 Bilan de puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 843.4.4.3 Expression du courant Ibatt . . . . . . . . . . . . . . 863.4.4.4 Expression du couple et de la vitesse des organes de

puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 863.4.5 Cas de lhybridation parallle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

3.4.5.1 Description de larchitecture organique . . . . . . . . 873.4.5.2 Bilan de puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 873.4.5.3 Expression du courant Ibatt . . . . . . . . . . . . . . 893.4.5.4 Expression du couple et de la vitesse des organes de

puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 903.4.5.5 Choix du rapport de transmission . . . . . . . . . . . 90

3.4.6 Cas de lhybridation combine . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913.4.6.1 Description de larchitecture organique . . . . . . . . 913.4.6.2 Bilan de puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913.4.6.3 Expression du courant Ibatt . . . . . . . . . . . . . . 963.4.6.4 Expression du couple et de la vitesse des machines

lectriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 963.4.6.5 Choix du rapport de transmission . . . . . . . . . . . 96

3.4.7 Prise en compte des pertes vide . . . . . . . . . . . . . . . . 973.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

4 Rsultats de simulations et proposition darchitectures optimales 994.1 Comparaison sur cycle de la performance des chanes de tractions

hybrides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1004.1.1 Comparaisons sur cycles dhomologation NEDC et WLTC . . 100

xi

TABLE DES MATIRES

4.1.2 Comparaisons sur cycles reprsentatifs dusages clients . . . . 1024.1.2.1 Estimation du cot dutilisation de la branche lec-

trique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1024.1.2.2 Estimation des gains en CO2 . . . . . . . . . . . . . 1034.1.2.3 Influence du rendement des machines lectriques sur

les gains CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064.2 Analyse critique des chanes de traction fonde sur la dmarche TRIZ 107

4.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1074.2.2 Principe didalit des chanes de traction hybride : RIF . . . 108

4.2.2.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1084.2.2.2 Cas de lhybridation srie . . . . . . . . . . . . . . . 1094.2.2.3 Cas de lhybridation parallle DSR . . . . . . . . . . 1094.2.2.4 Cas de lhybridation parallle CSR . . . . . . . . . . 1104.2.2.5 Cas de lhybridation combine . . . . . . . . . . . . . 1104.2.2.6 Conclusion sur le principe didalit . . . . . . . . . . 111

4.2.3 Rseaux de contradictions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1124.2.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1124.2.3.2 Contradictions sur la puissance et le rendement du

moteur thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1124.2.3.3 Contradictions sur la vitesse et le rendement du mo-

teur thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1144.2.3.4 Bilan des contradictions . . . . . . . . . . . . . . . . 115

4.3 Proposition darchitectures optimales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1164.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1164.3.2 Architecture hybride parallle optimise . . . . . . . . . . . . 1174.3.3 Architecture hybride mixte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

4.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

Conception organique et performance nergtique 121

5 Spcifications des organes lectriques de puissance 1235.1 Equation dvolution pour lhybridation parallle optimale . . . . . . 124

5.1.1 Bilan de puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1245.1.2 Expression du couple et de la vitesse des organes de puissance 126

5.2 Spcifications de la machine lectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . 1275.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1275.2.2 Les modes de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1275.2.3 Analyse des points de fonctionnement de la machine lectrique 1295.2.4 Enjeux de la rcupration dnergie au freinage . . . . . . . . 1305.2.5 Influence du rendement sur les gains CO2 . . . . . . . . . . . . 1315.2.6 Influence de la puissance de la machine lectrique sur les gains

en CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1335.2.7 Rpartition de lnergie des sollicitations . . . . . . . . . . . . 134

xii

TABLE DES MATIRES

5.3 Spcifications de la batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1365.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

6 Dfinition de la machine lectrique et performance nergtique du sys-tme 1416.1 Dfinition du systme lectromcanique . . . . . . . . . . . . . . . . . 1426.2 Modlisation des machines lectriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

6.2.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1446.2.2 Modlisation du circuit magntique par rseaux de rluctances 1476.2.3 Modlisation des forces magntomotrices . . . . . . . . . . . . 149

6.2.3.1 Forces magntomotrices statoriques . . . . . . . . . . 1496.2.3.2 Forces magntomotrices rotoriques . . . . . . . . . . 150

6.2.4 Mthodologie de calcul des flux et du couple lectromagntique1516.2.5 Dtermination de la puissance mcanique et lectrique de la

machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1536.2.5.1 Bilan de puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1536.2.5.2 Dfinition des pertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

6.2.6 Validation des modles par lments finis . . . . . . . . . . . . 1616.3 Pertes des machines lectriques et performance du vhicule . . . . . . 162

6.3.1 Comparaison des cartographies de pertes . . . . . . . . . . . . 1626.3.2 Performance du vhicule en mission de CO2 . . . . . . . . . . 165

6.4 Perspectives doptimisation nergtique de la chane de traction . . . 1676.4.1 Pour les cycles urbains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1676.4.2 Pour les cycles routiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1676.4.3 Pour les cycles routiers rapide et autoroutiers . . . . . . . . . 169

6.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

Conclusion et perspectives 173

Annexes 177

A Description du cycle Beau de Rochas 179

B Description des cycles automobiles 181B.1 Reprsentations des cycles INRETS dans le plan vitesse - temps . . . 182B.2 Synthse des principales caractristiques des cycles . . . . . . . . . . 186

C Paramtres modles nergtiques 187C.1 Caractristiques du vhicule de rfrence homologu . . . . . . . . . . 187C.2 Paramtres modles nergtiques pour le calcul de FTraction . . . . . . 188C.3 Proprit du carburant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188C.4 Caractristiques des organes de puissance . . . . . . . . . . . . . . . . 188

C.4.1 Le moteur thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

xiii

TABLE DES MATIRES

C.4.2 La machine lectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189C.4.3 La batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190C.4.4 Caractristiques des organes de transmission mcanique . . . . 190

D Modlisation machines lectriques : Dfinition des rseaux de rluc-tances 191D.1 Rseau de rluctances de la machine synchrone aimants permanents 191D.2 Rseau de rluctances de la machine synchrone rotor bobin . . . . 193

Bibliographie 195

xiv

Table des figures

1.1.1 Evolution du parc automobile mondial VP et perspectives jusquen2020 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.1.2 Relation entre le revenu national brut et le taux dquipement au-tomobiles (VP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.2.1 Evolution de la production mondiale quotidienne de ptrole et pers-pectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.2.2 Comparaison en base 100 de lvolution du prix de lessence lapompe en France entre 1990 et 2014 avec le SMIC . . . . . . . . . . 11

1.3.1 Contribution des principaux gaz (CO2, N2O, O3, CH4 et H2O) leffet de serre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.3.2 Evolution de la concentration en CO2 mesure dans latmosphrepar lobservatoire Mauna Loa entre 1960 et 2010 . . . . . . . . . . . 13

1.3.3 Emission de CO2 du puits la roue en g/km . . . . . . . . . . . . . 141.4.1 Ecart des missions CO2 de chaque constructeur automobile avec

les objectifs 2012 (seuls les constructeurs produisant plus de 100 000vhicules par an en Europe ont t mentionns) - La taille des cerclesest fonction du nombre de vhicules immatriculs en 2010 en Europe Source EEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.4.2 Exemple de label CO2- Emissions CO2 en g/km . . . . . . . . . . . 171.5.1 Comparaison des missions CO2 mesures selon le rglement R101

(base 100%) et constates sur la base dautres types de profils dusagevhicule :ADAC Eco test (NEDC Hot) incluant les effets de la clima-tisation habitacle, ADAC eco test (NEDC froid) sans la climatisationet base de donnes allemandes des consommations Spritmonitor. Source ICCT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.5.2 Squence dessai pour la mesure des missions (cycle NEDC) durglement R101 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.5.3 Description de la mthode de dtermination de la consommationdun vhicule hybride (non rechargeable sur le secteur) . . . . . . . . 20

1.5.4 Cycle WLTC classe 3 version 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.6.1 Exemple dvolution des usages vhicule pour le segment B2 Essence 241.6.2 Rpartition en % de dplacements en France par classe de distance 241.6.3 Rpartition cumule en % de dplacements en France par classe de

distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

xv

TABLE DES FIGURES

1.7.1 Les premiers vhicules hybrides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2.1 Classement des familles dhybrides en fonction de la rpartition despuissances thermiques / lectriques et de la capacit batterie . . . . 34

2.2.2 Schma dun hybride srie - en rouge, les flux de puissance lectriqueet en noir les flux de puissance mcanique . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.2.3 Schma dun hybride parallle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.2.4 Schma de larchitecture micro-hybride parallle (Stop and Start)

du moteur eHDi de PSA Peugeot Citron . . . . . . . . . . . . . . . 362.2.5 Schma dun hybride mixte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.2.6 Prsentation de la chane de traction Toyota (partie lectrique et

train picyclodal) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392.2.7 Description de larchitecture Hy4 de PSA Peugeot Citron . . . . . . 392.3.1 Diagramme de Clapeyron p = f (V ) au cours dun cycle moteur

explosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422.3.2 Cartographie de rendement dun moteur thermique essence EB0 -

Ligne rouge correspondant la courbe de couple maximum . . . . . 442.3.3 Comparaison des diffrentes technologies de batteries en termes de

densit dnergie massique et volumique . . . . . . . . . . . . . . . 452.3.4 Schma dun modle de batterie simplifi . . . . . . . . . . . . . . . 472.3.5 Bilan nergtique de la conversion lectromcanique . . . . . . . . . 512.3.6 Exemple de cartographie de rendement dune machine synchrone

aimants permanents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542.3.7 Exemple de circuit magntique filiforme intgrant une bobine dex-

citation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552.3.8 Cartographie du moteur thermique - lalignement des points noirs

matrialise lOOL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582.3.9 Exemple de CVT Honda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.1.1 Schma reprsentant le systme tudi . . . . . . . . . . . . . . . . . 683.3.1 Reprsentation de lOOL (a) et CSE associe (b) . . . . . . . . . . . 763.3.2 Illustration de la construction de la matrice V (x, t) et dune trajec-

toire optimale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 783.3.3 Reprsentation de la fonction de cot nergtique V (x, t) fixe ar-

bitrairement pour t = tf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793.3.4 Dfinition des bornes lies xmin, xmax, umin et umax . . . . . . . . . 803.3.5 Comparaison de lvolution du SOC sur le cycle NEDC . . . . . . . 813.3.6 Fonction H(u) pour t = 1089s sur le cycle NEDC . . . . . . . . . . . 813.4.1 Reprsentation schmatique simplifie dun modle de batterie Li-ion 833.4.2 Architecture hybride srie tudie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 843.4.3 Schma bilan de puissance de la chane de traction hybride srie

tudie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 853.4.4 Architecture dun hybride parallle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 873.4.5 Schma bilan de puissance de la chane de traction hybride parallle

tudie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

xvi

TABLE DES FIGURES

3.4.6 Architecture dun hybride combin type Toyota . . . . . . . . . . . . 913.4.7 Schma bilan de puissance de la chane de traction hybride combine

tudie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 923.4.8 Structure cinmatique de la chane de traction tudie . . . . . . . . 92

4.1.1 Gains en mission CO2 pour diffrentes chanes de traction par rap-port une rfrence sans hybridation (Ref DSR) sur cycle NEDC etWLTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

4.1.2 Rendement moyen du moteur thermique sur cycles NEDC et WLTC 1024.1.3 Pertes Joule moyennes dans la batterie . . . . . . . . . . . . . . . . 1024.1.4 Comparaison des cots unitaires pour les architectures srie, pa-

rallles et combine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034.1.5 Comparaison gains en mission CO2 pour diffrentes chanes de trac-

tion par rapport la rfrence sans hybridation (Ref DSR) sur cyclesINRETS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

4.1.6 Rendements moyens moteur thermique sur cycles INRETS . . . . . 1054.1.7 Pertes Joule batterie moyennes sur cycles INRETS . . . . . . . . . . 1054.1.8 Influence du rendement des machines lectriques sur les gains en

CO2 pour les hybridations srie, combin et parallle DSR . . . . . . 1064.2.1 Cartographie du moteur thermique essence - Indication du point de

rendement maximal (point bleu) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1124.2.2 Visualisation des points de fonctionnement moteur thermique pour

les diffrentes hybridations sur cycle NEDC . . . . . . . . . . . . . 1144.2.3 Rendements moyens des chanes de traction sur des cycles INRETS . 1154.3.1 Architecture hybride parallele optimise . . . . . . . . . . . . . . . . 1174.3.2 Gains CO2 estims lis la position de la machine lectrique (MEL),

en amont ou en aval de la bote de vitesse rapports discrets . . . . 1174.3.3 Architecture hybride mixte optimise . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

5.0.1 Hybridation parallle DSR optimise . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1235.1.1 Schma de flux de puissance de lhybridation parallle optimale . . . 1245.2.1 Mode de fonctionnement de la chane de traction hybride parallle

DSR optimale sur cycle NEDCO Mode pur lectrique en tractionX Mode gnrateur Electrique + Moteur Thermique fonctionnelX Mode boost lectrique + Moteur thermique fonctionnelO Mode rcupration dnergie au freinageO Arrt du vhicule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

5.2.2 Sollicitations de la machine lectrique sur lensemble des cycles IN-RETS mme lgende que la Figure 5.2.1 . . . . . . . . . . . . . . . 129

5.2.3 Puissances maximales de la machine lectrique observes sur cyclesINRETS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

5.2.4 Contribution de la rcupration dnergie au freinage sur les gainsCO2 sur cycles INRETS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

5.2.5 Influence du rendement de la machine lectrique sur les gains CO2 . 132

xvii

TABLE DES FIGURES

5.2.6 Rapport des gains Gr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1325.2.7 Influence de la puissance maximale de la machine lectrique sur les

gains CO2 pour les cycles INRETS (UF2, UF3, R1 et R2) . . . . . . 1345.2.8 Rpartition dans le plan couple/vitesse de lnergie (exprime en

Joule) de la machine lectrique sur le cycle R1 en mode gnrateur- courbe rouge : couple correspondant une isopuissance de 25 kW . 135

5.2.9 Rpartition dans le plan couple/vitesse de lnergie (exprime enJoule) de la machine lectrique sur les cycles UL1 UF2 en modemoteur et gnrateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

5.3.1 Evolution de lnergie stocke dans la batterie sur cycle NEDC (tra-jectoire optimale en rouge) en imposant diffrentes limitations surltat de charge batterie Les lignes bleu et verte correspondent res-pectivement au niveau dnergie maximale et minimale de la batterie 137

5.3.2 Reprsentation des gains CO2 en fonction de E sur cycle NEDC . 1385.3.3 Vitesse vhicule sur cycle NEDC et nergie la roue . . . . . . . . . 1385.3.4 Capacit de stockage dnergie dans la batterie minimale permettant

de minimiser la consommation vhicule en fonction de sa vitessemoyenne sur cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

6.0.1 Photo dun alterno dmarreur pour motorisation eHDI . . . . . . . . 1416.1.1 Schma du systme lectromcanique . . . . . . . . . . . . . . . . . 1436.1.2 Vues du stator et du rotor dun alterno dmarreur . . . . . . . . . . 1436.1.3 Vue en coupe de la machine synchrone aimants permanents . . . . 1446.2.1 Rseau de rluctances propos par L. Albert . . . . . . . . . . . . . 1456.2.2 Modle et diagramme de Behn-Eschenburg dune phase dune ma-

chine synchrone en mode de fonctionnement moteur et gnrateur . 1466.2.3 Description du modle de machine lectrique . . . . . . . . . . . . . 1476.2.4 Vue du rseau de rluctances dans une position angulaire du rotor

par rapport au stator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1486.2.5 Vue du rseau de rluctances dans une position angulaire + du

rotor par rapport au stator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1486.2.6 Dfinition des forces magntomotrices . . . . . . . . . . . . . . . . . 1496.2.7 Reprsentation des forces magntomotrices cres dans chaque dent

du stator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1506.2.8 Reprsentation de la source magntomotrice du rotor bobin . . . . 1506.2.9 Reprsentation des sources magntomotrices dun rotor aimants

permanents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1516.2.10 Schma illustrant le bilan de puissance du systme electromcanique 1546.2.11 Comparaison des couples lectromagntiques calculs par lments

finis et par rseau de rluctances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1616.2.12 Comparaison des cartographies de rendement . . . . . . . . . . . . . 1616.3.1 Cartographies de pertes des machines MSAP et MSRB . . . . . . . 1636.3.2 Comparaison des pertes vide des machines MSAP et MSRB . . . . 1656.3.3 Comparaison performances MSAP et MSRB sur cycles INRETS . . 1656.3.4 Sollicitations sur cycle UL1 a) Machine MSAP et b) Machine MSRB 166

xviii

TABLE DES FIGURES

6.3.5 Points de fonctionnement sur le cycle UF1 (a) et UF3(b) - MachineMSAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

6.4.1 Potentiel de gains en CO2 du aux changements de rapport de rduction1686.4.2 Rpartition des pertes en mode gnrateur au point de fonctionne-

ment 800 rad/s - 13 Nm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1686.4.3 Rpartition des pertes fer au stator (a) et au rotor (b) . . . . . . . 1696.4.4 Potentiel de gains en mission de CO2 par ajout dun rapport de

transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

A.1 Reprsentation dun cylindre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

B.1 Cycles INRETS Urbains lents UL1 et UL2 . . . . . . . . . . . . . . 182B.2 Cycles INRETS Urbains fluides UF1, UF2 et UF3 . . . . . . . . . . 183B.3 Cycles INRETS Routes R1, R2 et R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . 184B.4 Cycles INRETS Autoroutes A1 et A2 . . . . . . . . . . . . . . . . . 185B.1 Principales caractristiques des cycles INRETS et dhomologation

(NEDC et WLTC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

C.1 Cartographie de rendement du moteur thermique . . . . . . . . . . 188C.2 Cartographie de rendement de la machine lectrique et de son on-

duleur en rouge courbe de couple maximal . . . . . . . . . . . . . 189

D.1 Rseau de rluctances de la machine synchrone aimants permanents192D.1 Rseau de rluctances de la machine synchrone rotor bobin . . . . 194

xix

Liste des tableaux

1.1 Photographie des usages automobiles par segment dans lEurope des5 (France, Allemagne, Italie, Espagne, Grande Bretagne) en 2008 . . 23

1.2 Tableau de comparaison, prix, consommation et performances dy-namiques longitudinales de quelques vhicules du segment B2 . . . 26

2.1 Exemple de plages de dimensionnement des organes lectriques depuissance pour les diffrentes familles de chanes de traction hybrideset dfinition des principaux critres de dimensionnement . . . . . . . 34

3.1 Comparaison des consommations calcules par le principe de Pon-triaguine et la programmation dynamique de Bellman . . . . . . . . 82

4.1 Principaux paramtres utiliss dans les simulations . . . . . . . . . . 1004.2 Principes de RIF pour la dfinition dune architecture optimale . . . 1114.3 Enjeux CO2 lis loptimisation de la machine lectrique . . . . . . 119

5.1 Points dimensionnant pour la machine lectrique . . . . . . . . . . . 135

6.1 Tableau comparatif des modles lments finis et rseau de rluctances1626.2 Tableau de comparaison des caractristiques des machines MSAP et

MSRB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1646.3 Bilan des consommations sur cycle NEDC . . . . . . . . . . . . . . . 171

C.1 Performances vhicule Peugeot 208 de rfrence motoris avec unmoteur essence 1l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

C.2 Caractristiques physiques du vhicule . . . . . . . . . . . . . . . . . 188C.3 Proprits de lessence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188C.4 Caractristiques du moteur thermique essence . . . . . . . . . . . . . 189C.5 Principales caractristique de la machine lectrique et de son onduleur190C.6 Principales caractristiques de la batterie . . . . . . . . . . . . . . . 190

xxi

Liste des abrviations

HEV Micro Hybrid Electric Vehicle

ADAS Advanced Driver Assistance Systems

APWE Advanced Powertrains and Energy

ARTEMIS Assessment and Reliability of Transport Emission Mode and InventorySystems

BEV Battery Electric Vehicle

CAFE Corporate Average Fuel Economy

CPIA Conduite de Projets en Ingnierie Avance

CSE Consommation Spcifique Effective

CSR Continuous Speed Ratio

CVT Continuous variable transmission

DCT Dual clutch transmission

DSR Discret Speed Ratio

ECE Urban Driving Cycle (UDC)

ECMS Equivalent Consumption Minimization Strategy

EDF Electricit De France

EREV Extended Range Electric Vehicle

EUDC Extra-Urban Driving Cycle

FCS Fuzzy Control Strategy

FHEV Full Hybride Electric Vehicle

FTP Federal Test Procedure

FUEVA European Fuel Cell Vehicle Technologies Validation

GeePs Laboratoire Gnie lectrique et lectronique de Paris

GES Gaz Effet de Serre

xxiii

LISTE DES TABLEAUX

GIEC Groupe dExperts Intergouvernemental sur lEvolution du Climat

GNV Gaz Naturel pour Vhicule

GPL Gaz de Ptrole Liqufi

GPS Global Positioning System

HEV Hybride Electric Vehicle

HT Haute Tension

ICCT International Council on Clean Transport

IEED Institut dExcellence dans le domaine des Energies Dcarbones

IFSTTAR Institut Franais des Sciences et Technologies de Transports, de lAm-nagement et des Rseaux

IMA Integrated Motor Assist

INRETS Institut National de REcherche sur les Transports et leur Scurit

LGEP Laboratoire de Gnie Electrique de Paris

LMS Losses Minimization Strategy

MEL Machine ELectrique

MHEV Mild Hybrid Electric Vehicle

MLI Modulation Largeur dImpulsion

MSAP Machine Synchrone aimants Permanents

MSRB Machine Synchrone Rotor Bobin

MVEG Motor Vehicle Emissions Group

NEDC New European Driving Cycle

NEDC New European Driving Cycle

OOL Optimum Operating Line

PFA PlateForme Automobile

PHEV Plug-in Hybrid Electric Vehicle

PMB Point mort bas

PMH Point mort haut

SMIC Salaire Minimum Interprofessionnel de Croissance

SOC State Of Charge

STT Stop and start

TCO Total Cost Ownership ou Cot global de possession

xxiv

LISTE DES TABLEAUX

TRIZ Teorija Reshenija Izobretateliskhi Zadatch (Thorie de rsolution des pro-blmes inventifs)

UDDS Urban Dynamometer Driving Schedule

VP Vhicules Particuliers

WLTC World Harmonized Light-duty vehicle Test Cycle

WLTP World Harmonized Light-duty vehicle Test Procedure

ZAPA Zone dActions Prioritaires pour lAir

ZEV Zero Emission Vehicle

xxv

Introduction

Cadre gnral et objectifs

Ds lorigine de lautomobile, on assiste une comptition entre vhicule ther-mique et vhicule lectrique. Mme si des records de performances sont atteintsdbut 1900 avec le vhicule lectrique, il est abandonn au profit du vhicule ther-mique du fait de la disponibilit et du cot des nergies fossiles ainsi que de ladensit nergtique des carburants qui confre autonomie et lgret aux vhicules.Dans les annes 80, le dveloppement de lnergie nuclaire et la pollution dans lesvilles ont relanc un regain dintrt pour le vhicule lectrique. Mais 30 ans plustard, toujours victime de sa masse, de sa faible autonomie et du cot de ses batteries,il peine conqurir des parts de march.Toutefois, une profonde mutation technologique est actuellement conduite par des

proccupations environnementales croissantes - le rchauffement climatique - et parla rarfaction des nergies fossiles. Pour faire face ces enjeux socitaux, les gouver-nements ont initialis un plan dactions pour rduire la consommation des vhiculeset limiter leurs missions (polluants, gaz effets de serre) en imposant des objectifsde progrs aux constructeurs. Dbut 2012, le Premier Ministre franais, Jean MarcAyrault, a fix la filire automobile lobjectif dtre en mesure de commercialiserdans 10 ans des vhicules consommant 2l aux 100 km, soit mettant environ 50 gde CO2 / 100 km. Compte tenu de la crise conomique actuelle, et pour favorisercette volution, les pouvoirs publics ont mis en place des aides : incitations fiscales lachat de vhicules propres et subventions de projets industriels. En rponse, lesconstructeurs automobiles ont propos dorienter leurs recherches sur un ensemblede solutions lies lallgement des vhicules, lamlioration de larodynamique, loptimisation des pneumatiques pour rduire les frottements, loptimisation dela conception des moteurs thermiques et la gnralisation de lhybridation. De leurcot les consommateurs ne sont pas prts accepter des surcots lachat duneautomobile verte . Aussi le challenge de lindustrie automobile est de dvelopperdes technologies innovantes pour proposer sur le march des vhicules propres, faible empreinte carbone et un prix acceptable pour le client.Si pendant plus dun sicle le transport a t domin par une quasi exclusivit

des moteurs thermiques, essence ou diesel, tous les constructeurs automobiles ontamorc le 21me sicle en accentuant la recherche et le dveloppement de chanes detraction hybrides. Mme si des gains en consommation sont encore esprer avecloptimisation des moteurs thermiques, lhybridation des chanes de traction appa-

1

Introduction

rait comme la voie la plus prometteuse pour rduire les missions de CO2 des vhi-cules. Du fait de limportance des investissements mis en jeux et du positionnementconcurrentiel li la consommation des vhicules, la matrise de la conception de ceschanes de traction hybrides revt un caractre stratgique pour chaque constructeurautomobile.Diffrentes technologies dhybridation sont possibles, thermique / lectrique, ther-

mique / hydraulique,. . . , mais seule lhybridation thermique lectrique, solution laplus rpandue, sera tudie dans ces travaux de recherche dont lobjectif est diden-tifier des voies de progrs pour la dfinition des futures chanes de traction hautrendement nergtique, en ciblant en particulier le potentiel offert par leur lectrifi-cation.Lintrt dlectrifier les chanes de traction est de remdier aux 2 principaux d-

fauts des moteurs thermiques que sont leur faible rendement nergtique et leurirrversibilit. Lhybridation va donc tirer profit des atouts des 2 types de motori-sations en combinant : Le trs bon rendement, labsence dmissions (sonores et polluantes) et la

rversibilit des machines lectriques. La densit nergtique des carburants fossiles consomms par les moteurs ther-

miques qui garantit lautonomie, limite la masse embarque et rduit le tempsde ravitaillement (~3mn pour 60l).

Loptimisation nergtique des chanes de traction est un sujet complexe qui afait lobjet ces dernires annes dun grand nombre de travaux de recherche, depublications, et on assiste danne en anne, une forte augmentation des offrescommerciales bases sur les diffrents principes darchitectures dhybridation (srie,parallle ou combine) avec ou sans la possibilit de recharger la batterie sur lesecteur. Majoritairement, les constructeurs ont opt pour une logique dvolutionen intgrant progressivement lhybridation partir dune architecture de chane detraction conventionnelle. Le premier niveau dhybridation dit Stop and Start amaintenant tendance se gnraliser. Les niveaux de puissance dhybridation sontprogressivement augments pour offrir de meilleures prestations en missions deCO2, en performance dynamique longitudinale du vhicule et en fonctionnement enpur lectrique (ZEV - Zero Emission Vehicle).Ces travaux de recherche sinscrivent dans cette logique de progrs et sont focaliss

sur les vhicules hybrides dits HEV - Hybride Electric Vehicle ou FHEV - FullHybrid Electric Vehicle, sans possibilit de recharge de la batterie sur le secteur. Ilsont pour objectif dapporter des lments de rponse pour contribuer la dfinitionde la politique technique hybride de PSA Peugeot Citron. Ils consistent, en prenantcomme exemple llectrification dune chane de traction dun vhicule polyvalent dusegment B (Peugeot 208) dot dun moteur thermique essence (1L 3 cylindres), proposer une nouvelle dmarche de conception base sur des principes doptimalit.Ils ont comme finalit dorienter le choix darchitecture de chane de traction hybrideet aussi un dimensionnement optimal des organes lectriques de puissance pourproposer sur le march des vhicules performants en missions de CO2 un cot

2

acceptable pour le client.Pour rpondre cette problmatique, la dmarche doptimisation nergtique re-

tenue est construite partir dune approche dingnierie systmique base sur 3niveaux en interaction : La dfinition de larchitecture de la chane de traction, lagestion de lnergie et la conception des organes lectriques de puissance. Elle sebase intgralement sur une stratgie de gestion nergtique dite de commande op-timale, en opposition au principe couramment utilis de commande heuristique quidemeure suboptimale, pour dterminer la consommation minimale atteignable pourchacune des architectures de chanes de traction tudies, tablir les spcificationsdes organes lectriques de puissance et proposer en vis vis une solution organique.

Organisation du document

Ce manuscrit est divis en trois parties de deux chapitres chacune. La premirepartie prcise le contexte qui motive cette tude et fait un tat de lart sur les prin-cipes dhybridation. La deuxime partie prsente une tude thorique doptimisationnergtique dont lexploitation permet de justifier une proposition darchitecture dechane de traction performante en missions de CO2. Enfin la troisime partie, orientele lecteur sur la conception des organes lectriques de puissance en les spcifiant eten valuant la performance nergtique du vhicule atteignable avec une machinelectrique drive dalterno-dmarreurs existants.

Premire partie :

Le premier chapitre introduit le contexte environnemental et conomique quiamne les constructeurs automobiles dvelopper des chanes de traction de plusen plus efficientes et orienter leurs recherches sur la conception de chanes detraction hybrides. Les principaux facteurs moteurs de cette volution sont analyss.Les actions gouvernementales et les contraintes rglementaires qui en dcoulent sontprcises. Enfin, les attentes et les usages des clients ainsi que les perspectives demarch sont prsentes.Le deuxime chapitre fait un tat de lart sur les diffrentes architectures de

chanes de traction hybrides. Il en donne une illustration partir dexemples concretsdapplications aujourdhui commercialises et prsente les principaux composantsconstituant ces chanes de traction hybrides. Il introduit les principes de modlisa-tion des organes et identifie les mthodes de gestion nergtique optimales qui serontdveloppes par la suite.

Deuxime partie :

Le troisime chapitre dcrit les principes de gestion nergtique optimale mis enuvre pour calculer les seuils de consommation atteignables avec les diffrentesarchitectures de chanes hybrides tudies. Le problme doptimisation nergtiqueest prsent ainsi que les mthodes de rsolution analytique et numrique bases surle principe de Pontriaguine et la programmation dynamique de Richard Bellman. Les

3

Introduction

quations dvolution des diffrents systmes hybrides (hybridation srie, parallleet combine) sont dcrits.Le quatrime chapitre exploite les modles thoriques et sappuie sur une synthse

issue dune dmarche de crativit TRIZ afin de rvler larchitecture de chane detraction hybride qui offre le meilleur potentiel en mission de CO2.

Troisime partie :

Le cinquime chapitre exploite nouveau les rsultats des simulations pour d-terminer les sollicitations des organes lectriques de puissance et identifier les cyclesdusage client ainsi que les plages de fonctionnement pour lesquels la machine lec-trique doit tre optimise. Par ailleurs, la capacit minimale de stockage dnergiedans la batterie est tablie pour garantir la consommation minimale du vhicule.Le sixime chapitre, consiste analyser la performance atteignable en mission de

CO2 avec deux structures de machines lectriques drives dun alterno-dmarreur.Ces machines lectriques sont modlises (rotor bobin et rotor aimants perma-nents) pour tablir des cartographies de pertes, donnes dentre du calcul de la per-formance en missions de CO2 du vhicule. Les rsultats sont compars et analyss.Enfin, diffrentes volutions darchitecture de la chane de traction pour amliorerles gains en missions de CO2 sont proposes.

4

Contexte et tat de lart

On nhrite pas de la terre denos anctres, on lemprunte nos enfants. "

(Saint Exupery)

Chapitre 1

Le contexte environnemental etconomique de lautomobile

Dans ce chapitre, on introduit les diffrents facteurs qui conduisent les construc-teurs automobiles dvelopper des chaines de traction de plus en plus efficientes et sorienter progressivement vers une gnralisation de lhybridation.On va sintresser lvolution du march automobile mondial pour sensibiliser le

lecteur laugmentation des missions de gaz effet de serre avec ses consquencessur le climat et la diminution des rserves en nergie fossile avec ses consquencessur laugmentation du prix des carburants. Face ces dfis environnementaux etconomiques, les gouvernements ragissent et dfinissent des axes de progrs queles constructeurs automobiles doivent respecter pour pouvoir homologuer leurs v-hicules. Pour tenir ces objectifs et rpondre aux usages clients, les constructeursorientent leurs recherches sur la conception de chanes de traction hybrides dont lemarch en croissance devient un incontournable pour conserver sa comptitivit.

1.1 Le march automobile actuel et ses perspectivesEn 1769, Nicolas Joseph Cugnot inventait le premier vhicule capable de se dpla-

cer grce la vapeur sans faire appel lnergie animale. Mais cest rellement lafin du XIXme que lon assiste lessor de lautomobile. Trs rapidement on imaginela production des vhicules la chane limage de la Ford T (1912) pour rpondre une demande de mobilit de plus en plus importante. En 1914, on dnombre dans lemonde 500 000 vhicules, pour atteindre 50 millions la veille de la seconde guerremondiale et 300 millions en 1975. Sur plus dun sicle le march na fait que croitre,seuls les conflits, les crises ptrolires ou conomiques ont su inflchir momentan-ment cette tendance. Leffet de la crise 2008 2009 sest traduit par une diminutiondenviron 10 millions dunits produites en 2009, suivie dune reprise du march. En2014, le march automobile mondial slve prs de 90 millions dunits par an[1], avec une croissance rgulire de la production annuelle denviron 3,5% 5% etun doublement sur 30 annes, comme le montre le graphique de la Figure 1.1.1 [2].

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Chapitre 1 Le contexte environnemental et conomique de lautomobile

A lhorizon 2020, les perspectives dvolution du parc roulant devraient porter lenombre de vhicules particuliers (VP) environ 1,2 milliards.

Figure 1.1.1 Evolution du parc automobile mondial VP et perspectives jusquen2020

Lvolution du march mondial est trs htrogne entre les diffrentes plaquesgographiques. Il est li au niveau de dveloppement conomique des pays et au tauxdquipement 1 en automobiles, tel que reprsent sur la Figure 1.1.2. lhorizon2020, la croissance sera impulse par certains pays mergents tels que la Chine,lInde, la Russie et le Mercosur pour lesquels le revenu national brut par habitantva fortement augmenter.Par exemple, la Chine, du fait de son faible taux dquipement denviron 5%,

prsente encore un grand potentiel de croissance. Cette dernire tait de lordre de30 40% dans les annes 2009 2010. Si son march sest vu marquer une pauseen 2011 en affichant une progression limite 4 ou 5%, il progresse nouveau avecune croissance denviron 15%.A loppos, le march Europen prsente un parc automobile dj satur avec un

taux dquipement de 60% et on constate depuis la crise de 2008 une diminutiondes ventes de vhicules neufs de lordre de -20%. Cette tendance sest confirme jus-quen 2013, consquence de la contraction des marchs dans les pays mditerranenssurendetts (Grce, Italie, Espagne et Portugal). Pour dynamiser le march et main-tenir lemploi, les aides gouvernementales se sont alors multiplies afin dinciter lesconsommateurs renouveler leurs vhicules avec le risque de doper artificiellementle march pour mieux linflchir ds leurs suppressions. Toutefois, depuis le dbutde 2014, on assiste un retour la croissance du march europen denviron 7% parrapport 2013. Si les volumes de production restent encore relativement faibles parrapport lavant crise, cette tendance confirme une reprise conomique.

1. Taux dquipement : Nombre de vhicules pour 100 habitants exprim en %

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1.2 Ptrole et automobile

Figure 1.1.2 Relation entre le revenu national brut et le taux dquipement au-tomobiles (VP)

1.2 Ptrole et automobileLe dveloppement conomique mondial sest vu tirer par labondance de ressources

en nergie fossile (ptrole, charbon et gaz naturel) que recle la terre associe descots de production extrmement faibles et une densit nergtique trs leve.Comme illustr sur les courbes de la Figure 1.2.1, la production annuelle de ptroleaugmente danne en anne et slvait en 2010 plus de 30 milliards de barils paran, dont environ 40% ddi la consommation du secteur du transport routier.Cette ressource nergtique ntant pas renouvelable donc non prenne, il se profilele spectre du Peak Oil . Mais quen est-il rellement ?Lorigine du ptrole est explique selon deux hypothses. Lune dcrit lorigine du

ptrole par la dcomposition de matires organiques, son pigeage et sa maturationdans le sol. Lautre remonte lorigine du ptrole la formation de la terre parun phnomne de condensation de nuages dhydrocarbures [3]. Ce constat sappuienotamment sur lobservation de plantes comme Jupiter ou Saturne qui regorgentde mthane. Si tel est le cas, cette deuxime hypothse pourrait conduire de trsimportantes rserves et loignerait donc lchance du pic de production.Les rserves de ptrole, bien quelles soient mal connues, diminuent. Les rserves

facilement accessibles se rarfient et par voie de consquence les cots de productionssont de plus en plus levs. En parallle, le dveloppement conomique et dmogra-phique mondial engendre des besoins en nergie accrus. La population mondialeen 2012 slvait environ 7 milliards dhabitants et devrait converger vers 9 10milliards lhorizon de 2050, augmentation qui sera avant tout tire par les paysasiatiques puis par lAfrique. En 2012, la consommation annuelle par habitant de

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Chapitre 1 Le contexte environnemental et conomique de lautomobile

Figure 1.2.1 Evolution de la production mondiale quotidienne de ptrole et pers-pectives

la Terre est denviron 4 barils de ptrole 2. Si ce niveau moyen de consommationse maintient, les besoins en ptrole en 2050 impulss uniquement par la croissancedmographique seront de plus de 40 milliards de barils par an.Laugmentation de la population mondiale et la forte croissance de pays mergents

tels que la Chine ou lInde, accroissent la demande en ptrole et engendrent de fortesfluctuations des cours. Toutefois, le spectre du pic de production nest pas la seuleexplication, tel que lexprime lconomiste Frederick William Hengdahl [5]. En 2007,la crise des subprimes associe une chute du dollar a provoqu laugmentation ducours du ptrole, dont lorigine apparait principalement comme tant financire etspculative. Le ralentissement de lconomie avec la contraction des marchs a induitune diminution de la demande nergtique accompagne dune baisse prononce ducours. Depuis 2009, la tendance la hausse se poursuit, en partie de aux instabilitsgopolitiques dans les pays producteurs de ptrole ou limitrophes, ce qui conditionneun terrain idal pour les spculations. Cette tendance augmente la vulnrabilit despays fortement dpendants des importations de cette nergie, et qui pour temprerces variations, sont parfois amens comme en France puiser dans leurs rservesstratgiques ou dvelopper comme aux Etats Unis lextraction des gaz de schiste.Sur lexemple de la France, il est intressant danalyser limpact de lvolution du

cot de lnergie pour le transport sur le pouvoir dachat des mnages. Pour celaon se propose de comparer lvolution du Salaire Minimum Interprofessionnel deCroissance (SMIC) [6], index la fois sur lindice des prix la consommation (horstabac) et sur les salaires, au prix de lessence [7] la pompe (voir Figure 1.2.2). Silvolution du SMIC est reste proche de lvolution du cot des carburants jusquen2007, la crise de 2008 sest traduite dans un premier temps par un affaiblissement dupouvoir dachat puis par une courte priode plus favorable aux mnages. Jusquenseptembre 2014, un cart en dfaveur du portefeuille du consommateur persistait,

2. En 2010, un franais consommait 10,4 barils de ptrole par an, un amricain (USA) 22,3 etun chinois en moyenne 2,5 [4]

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1.3 Les missions de CO2

qui en raction tait amen adapter ses comportements dusages et dachat auto-mobile : augmentation de lusage des transports en communs ; utilisation des vhicules particuliers restreinte au strict ncessaire ; achat vhicule bien souvent dcal dans le temps et ax sur des produits

faible consommation en carburant. Les vhicules hybrides apparaissent alorscomme une solution attrayante pour le client sous rserve que le cot dachatdu vhicule soit acceptable.

Depuis Septembre 2014, on assiste une baisse importante et rapide du prix ducarburant susceptible de ralentir la croissance du march du vhicule hybride carle consommateur sera plus regardant sur le cot dachat du vhicule que sur lecot lusage et devrait porter son choix sur un vhicule thermique conventionnel.Toutefois, cette tendance la baisse du prix du baril est trs certainement temporairedu fait de laugmentation de la consommation et de la rarfaction des nergiesfossiles.

Figure 1.2.2 Comparaison en base 100 de lvolution du prix de lessence lapompe en France entre 1990 et 2014 avec le SMIC

1.3 Les missions de CO21.3.1 Le rchauffement climatique et ses consquencesLe rchauffement climatique est maintenant reconnu par les instances internatio-

nales et un consensus scientifique est tabli par un Groupe dexperts intergouver-nemental (GIEC) sur lorigine anthropique de lvolution du climat. La rvolutionindustrielle qui sest manifeste depuis le milieu de XVIIIme sicle sest traduitepar une trs forte augmentation des missions de gaz effet de serre dans latmo-sphre. Les modles mathmatiques construits sur ces missions et les prdictionsdvolution des rejets conduisent les scientifiques une estimation daugmentationde la temprature du globe entre 1 et 6C au XXIme sicle avec ses consquenceshumaines et environnementales.

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Chapitre 1 Le contexte environnemental et conomique de lautomobile

Les gaz effet de serre ont pour caractristique commune dabsorber une partiedes infrarouges mis par la surface de la Terre, rchauffant ainsi latmosphre. Cettechaleur est rmise dans toutes les directions, notamment vers la terre ce qui consti-tue un apport de chaleur. Les principaux gaz effet de serre sont la vapeur deau, ledioxyde de carbone (CO2), le mthane (CH4), le protoxyde dazote (N2O), lozone(O3) et en trs faible proportion les gaz fluors.Daprs le GIEC, leur contribution approximative leffet de serre se rpartit

comme illustr sur la Figure 1.3.1. Le CO2 nest que le deuxime contributeur leffet de serre hauteur de 26%, comparativement la vapeur deau situe 60%.En tenant compte de leffet de serre des nuages, lensemble vapeur deau + nuagesreprsente au moins 90 % de leffet de serre. Toutefois, il faut relativiser limportancedes gaz effet de serre selon leur dure de sjour dans latmosphre : la vapeur deauslimine en quelques jours, alors quil faudra une centaine dannes pour le CO2, laphotosynthse par les plantes ainsi que labsorption par les ocans tant insuffisantspour traiter efficacement lensemble des missions.

Figure 1.3.1 Contribution des principaux gaz (CO2, N2O, O3, CH4 et H2O) leffet de serre

En consquence, la concentration en gaz carbonique a trs fortement augmentces dernires annes comme lillustre la courbe de Keeling [8] prsente Figure 1.3.2,issue de mesures effectues par lobservatoire Mauna loa situ sur les Iles Hawa. Laconcentration en CO2 estime 278 ppm laire pr industrielle a atteint un niveaurecord de 387 ppm en 2010.Les effets de laugmentation des GES sont maintenant visibles et se manifestent

par des changements climatiques profonds tels que : laugmentation de la temprature du globe ; des hivers plus doux avec une couverture neigeuse rduite ; la fonte de la calotte glacire des ples et des glaciers ; une lvation du niveau des ocans ; lapparition dinondations ctires et une augmentation des phnomnes cy-

cloniques ; volution de la rpartition de la faune et de la flore. On constate par exemple

des dates de vendanges avances denviron 3 semaines en quelques dcennies ;

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1.3 Les missions de CO2

expansion des dserts ; . . .

Figure 1.3.2 Evolution de la concentration en CO2 mesure dans latmosphrepar lobservatoire Mauna Loa entre 1960 et 2010

Un emballement du rchauffement climatique nest pas exclu, il serait notammentconduit par un phnomne de type albdo, avec une amplification locale du rchauf-fement li lvolution des proprits rflchissantes des sols. La fonte des neigeslaissant apparaitre des surfaces sombres absorbant le rayonnement infrarouge peutainsi acclrer le phnomne de rchauffement climatique. Par ailleurs, laugmen-tation de la temprature du globe favorise la libration de stocks naturels de GESactuellement fixs par exemple dans le perglisol tel que le mthane dont le pouvoirde rchauffement est 26 fois suprieur celui du CO2.Il faut remarquer que sans effet de serre, la temprature de la terre chuterait

-18C. La surface terrestre se couvrant de glace, le pouvoir de rflexion des solsblanchis augmentant, la temprature pourrait atteindre -50C.

1.3.2 Le transport automobile et les missions de gaz effet deserre

Laugmentation des missions des gaz effet de serre est avant tout dorigine an-thropique avec une contribution denviron 13,5% du transport, dont 9,9% induit parle transport routier. Lautomobile nest donc pas le principal metteur des GES, lesdomaines de la production dnergie lectrique et de chaleur (25%), de lindustrie(10%) et les effets de la dforestation (18%) ont eux aussi une trs forte contributiondans les causes du rchauffement climatique. Les seules amliorations apportes ausecteur de lautomobile pour rduire les GES ne sauraient apporter une solutionau problme global. La lutte contre le rchauffement climatique ncessite donc uneprise de conscience de toute la communaut avec des plans dactions sur lensembledes fronts. Les missions de CO2 produites par le secteur du transport sont direc-tement lies la consommation en nergie fossile. Ces quelques chiffres permettentdobjectiver linterdpendance du march automobile avec celui de ces nergies, soit :

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Chapitre 1 Le contexte environnemental et conomique de lautomobile

plus de 60 % des 87 millions de barils de ptrole produits chaque jour servent alimenter les systmes de transport du monde entier ;

les combustibles fossiles liquides reprsentent plus de 96 % de lapprovisionne-ment nergtique actuel pour le secteur des transports.

Rduire la consommation en ptrole devient donc une importance capitale pourlimiter notre dpendance, limiter les missions de CO2 et viter lpuisement desressources fossiles. De nombreux programmes ont t lancs dans ce but, incitanten particulier le dveloppement de voitures propulsion lectrique par des batteriesrechargeables partir du secteur. Il faut nanmoins relativiser lefficacit environne-mentale de ce choix en faisant un bilan complet des missions de CO2 du puits laroue comme illustr sur la Figure 1.3.3 [9]. La pertinence de ces chanes de tractiondans la lutte contre le rchauffement climatique ne sera relle que si la part des ner-gies renouvelables augmente significativement. Dans cet esprit, lUnion Europennea fix comme objectif datteindre 20% dnergie renouvelable lhorizon 2020.

Figure 1.3.3 Emission de CO2 du puits la roue en g/km

1.4 Les actions gouvernementalesLa majorit des pays ont pris conscience des rpercussions du rchauffement cli-

matique et de ses consquences pour lhumanit si aucune action nest engage pourlimiter nos missions de gaz effet de serre. Des objectifs de progrs ont donc tfixs ciblant les efforts que lensemble de la communaut doit produire. Par exemple,pour la France, en 2002 le Premier ministre a fix lobjectif de diviser par 4 nos mis-sions de GES dici 2050 pour contenir le rchauffement climatique une lvationde temprature de 2C. Cette orientation appele plus communment facteur 4 a tconfirme au travers du plan climat en 2004, puis par la France lentre en vigueur

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1.4 Les actions gouvernementales

du protocole de Kyoto le 16 Fvrier 2005. Ce protocole, sign en 1997 et ratifi par168 pays en 2010, a fix des objectifs obligatoires par pays permettant de rduire,entre 2008 et 2012, de 5,2 % par rapport au niveau de 1990 les missions de 6 gaz effet de serre : dioxyde de carbone, mthane, dioxyde dazote et trois substituts deschlorofluorocarbones. Pour tenir ses objectifs chaque pays a t libre de sa politiqueenvironnementale, notamment il a pu compenser ses missions par la cration depuits de carbone tel que le reboisement. Par ailleurs, pour les industriels fortementmetteurs de CO2, lUnion Europenne a mis en place un systme dchange dequotas de CO2, avec la possibilit de racheter des quotas sur le march en cas dedpassement des cibles fixes. En Mars 2007, le Conseil Europen a adopt, dansla perspective de 2020, de nouveaux objectifs plus ambitieux que ceux fixs par leprotocole de Kyoto et intitules the three 20 targets , qui dans les faits incluent4 propositions : rduire les missions de gaz effets de serre de 20% lhorizon 2020 par

rapport aux missions de 1990 ; augmenter les rendements nergtiques pour diminuer la consommation ner-

gtique de 20% en 2020 ; lhorizon 2020, 20% de lnergie consomme devra provenir dnergie renou-

velable ; 10% de la consommation nergtique totale automobile devra provenir en 2020

de biocarburant.En France, sous limpulsion du Prsident de la Rpublique Nicolas Sarkozy, un Gre-nelle de lEnvironnement a t annonc le 18 mai 2007 par le ministre de lcologie,du Dveloppement et de lAmnagement durables. Il dfinit la feuille de route pouratteindre les objectifs du Protocole de Kyoto en mettant en place un certain nombredactions en faveur de lco-dveloppement de lautomobile. Le systme bonus-maluscr en dcembre 2007 est lune des premires mesures issues du Grenelle de lEn-vironnement. Il vise rcompenser, via un bonus, les acqureurs de voitures neuvesmettant le moins de CO2, et pnaliser, via un malus, ceux qui optent pour lesmodles les plus polluants, le bonus des uns tant financ par le malus des autres.Par exemple, les vhicules hybrides lectriques mettant moins de 110g de CO2/kmsont ligibles un bonus de 3 300 [10].La loi Grenelle a instaur la mise en uvre dexprimentations de Zone dActions

Prioritaires pour lAir (ZAPA), zones limites aux vhicules bas niveau dmissions.Situes dans et autour des villes, elles ont pour objectif de reconqurir la qualit delair par la diminution de la pollution atmosphrique. Cette action devrait inciterlachat de vhicules faible mission en permettant au possesseur daccder ceszones urbaines protges des missions. Par ailleurs, le Grenelle de lenvironne-ment au travers des investissements davenir, a dcid de financer la cration de 9instituts dexcellence sur les nergies dcarbones (IEED) dont lun dentre eux inti-tul Vedecom (Institut du Vhicule Dcarbon Communicant et de sa Mobilit) bas Satory (Ile-de-France), est ddi au domaine des transports terrestres et de lco-mobilit. Il bnficiera dune dotation de 54,1 millions deuros et devrait accueillir300 chercheurs. Enfin en 2012, le gouvernement franais confie la Plateforme de

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Chapitre 1 Le contexte environnemental et conomique de lautomobile

la Filire Automobile lanimation dun programme de travail pour dvelopper lesbriques technologiques permettant aux constructeurs automobiles de proposer surle march lhorizon de 10 ans des vhicules consommant 2l/100 km. Ces travaux derecherche ont fait lobjet en 2014 de prsentations de dmonstrateurs technologiquesau Mondial de lautomobile : PHEV EOLAB de Renault, C4 CACTUS Airflow deCitron et 208 Hybrid Air de Peugeot.Au niveau europen des objectifs de progrs ont t fixs aux constructeurs au-

tomobiles pour les obliger rduire la consommation des vhicules automobilesproduits. Le principe sinspire du Corporate Average Fuel Economy (CAFE) voten 1975 aux Etats-Unis et sest traduit par la mise en place dun rglement eu-ropen n443/2009 adopt le 23 avril 2009. Il prvoit une rduction moyenne desmissions de CO2 des voitures particulires neuves 130g/km ralise progressive-ment de 2012 2015 avec une pondration pour chaque constructeur, fonction dela masse moyenne des vhicules immatriculs chaque anne par chacun dentre eux.La Figure 1.4.1 illustre le positionnement de chaque constructeur automobile parrapport lobjectif CAFE 2012 [11].

Figure 1.4.1 Ecart des missions CO2 de chaque constructeur automobile avecles objectifs 2012 (seuls les constructeurs produisant plus de 100000 vhicules par an en Europe ont t mentionns) - La taille descercles est fonction du nombre de vhicules immatriculs en 2010 enEurope Source EEA

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1.4 Les actions gouvernementales

Si la date butoir fixe 2015 par lEurope pour que les vhicules neufs atteignentle seuil moyen de 130 g CO2/km, 65% des voitures dun constructeur doivent depuis2012 respecter la norme. En 2013, ce seuil a t fix 75% des flottes, puis 80%en 2014 et 100% en 2015. En cas de dpassement, les constructeurs devront payerdes amendes. Ces pnalits stalent de 5 euros par vhicule neuf vendu pour le 1ergramme de dpassement et 95 euros pour le 4ime gramme.Un objectif ultrieur de 95g CO2/km atteindre en 2020 a t fix. Pour 2025,

une perspective de 75g/km est avance. Ce challenge sous-entend davoir plus quedivis par 2 les missions automobiles, donc leur consommation en 15 ans.Enfin pour guider et inciter les consommateurs choisir des vhicules faible

mission de CO2, un tiquetage (voir Figure 1.4.2) bas sur 4 critres a t mis enplace : consommation en carburant l/100 km ; cot en carburant sur la base de 20 000 km ; mission CO2 en g/km ; taxes annuelles.

Figure 1.4.2 Exemple de label CO2- Emissions CO2 en g/km

Parmi les autres facteurs rglementaires influant sur la conception automobile etsur la consommation nergtique, il faut noter le rglement Euro 6 et ses volutionEuro 6.2 puis Euro 7 [12]. Il concerne les limites dmissions de polluants des mo-teurs thermiques des vhicules neufs, savoir le monoxyde de carbone (CO), leshydrocarbures non mthaniques et hydrocarbures totaux, les oxydes dazote (NOx)et les particules (PM). Mme sil ne concerne pas directement les missions de GES,les limites imposes ont un impact sur les missions de CO2 car le point de fonc-tionnement optimum des moteurs thermiques pour tenir ces limites dmission depolluants ne correspond pas forcment loptimum de consommation. Un compro-mis doit donc tre trouv entre le minimum dmissions de CO2 et le respect de larglementation sur les polluants.

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Chapitre 1 Le contexte environnemental et conomique de lautomobile

1.5 Homologation des automobiles

1.5.1 IntroductionPour obtenir lautorisation de commercialisation, les constructeurs automobiles

se doivent dassurer lhomologation de leurs vhicules dans le respect dun certainnombre de rglements tels que le R101 3 en regard de la consommation en carbu-rant ou en lectricit. Si ce rglement avait initialement t tabli pour les vhiculesthermiques et les vhicules purement lectriques, il a fait rcemment lobjet damen-dements pour intgrer le processus suivre pour les vhicules hybride et hybrideplug-in. Par ailleurs, un groupe de travail Europen, au travers du projet FUEVA(European Fuel Cell Vehicles Technologies Validation), la adapt en prvision de lacommercialisation de vhicules pile combustible aliments en hydrogne directou par reformage embarqu.Une tude ralise par ICCT (International Council on Clean Transport) a montr

quil y avait un cart croissant danne en anne entre les rsultats de consommationou dmissions de CO2 issus du processus actuel dhomologation et les consomma-tions releves par les usagers. Les courbes prsentes Figure 1.5.1 [13], issues de cettetude, et bases sur un retour dexpriences de plus de 28 000 utilisateurs et plus de1200 modles de vhicules en attestent.Cet cart de consommation sexplique en partie par : une non reprsentativit du cycle NEDC par rapport lusage rel client ; un tel enjeu commercial que les constructeurs automobiles optimisent les vhi-

cules par rapport la procdure R101 pour offrir le meilleur rsultat et afficherune consommation minimum ;

laugmentation du nombre de vhicules intgrant une climatisation dont lusagequasi systmatique par les utilisateurs nest pas intgr dans la procdureactuelle.

Fin 2007, un groupe de travail a t initialis au sein des nations unies (WP29/GRPE)pour harmoniser au niveau mondial le cycle et la procdure dessai pour lhomolo-gation des missions des vhicules. Cette nouvelle procdure intitule World Har-monized Light-duty vehicle Test Procedure (WLTP) devrait sappliquer en Europeen substitution au rglement R101 lhorizon 2020.

3. Intitul du rglement R101 : Uniform provisions concerning the approval of passenger carsequipped with an internal combustion engine with regard to the measurement of the emissionof carbon dioxide and fuel consumption and of categories M1 and N1 vehicles equipped with anelectric power train with regard to the measurement of electric energy consumption and range

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1.5 Homologation des automobiles

Figure 1.5.1 Comparaison des missions CO2 mesures selon le rglement R101(base 100%) et constates sur la base dautres types de profilsdusage vhicule :ADAC Eco test (NEDC Hot) incluant les effetsde la climatisation habitacle, ADAC eco test (NEDC froid) sans laclimatisation et base de donnes allemandes des consommations Spritmonitor . Source ICCT .

1.5.2 Rglement R101Ce paragraphe dcrit succinctement la mthode de mesure de la consommation

en carburant et en nergie lectrique. Pour plus de dtails le lecteur se rfreradirectement au texte du rglement R101 [14]. Ce prsent rglement sapplique auxvhicules des catgories M1 et N1 [15] mus par un moteur combustion interne oupar une chane de traction hybride lectrique pour la mesure : des missions de dioxyde de carbone (CO2) , de la consommation en carburant fossile, de la consommation en nergie lectrique, de lautonomie en mode lectrique.

La mthode de mesure rglementaire de la consommation du vhicule dpend du typede chane de traction (thermique, lectrique, hybride et hybride rechargeable). Lesmesures sont ralises sur la base dun cycle denviron 11 km appel New EuropeanDriving Cycle (NEDC), aussi appel le Motor Vehicle Emissions Group (MVEG)qui se dcompose en deux parties : un cycle urbain constitu de lenchanement de 4 cycles urbains lmentaires

et identiques (4 x ECE) un cycle extra urbain (EUDC).

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Chapitre 1 Le contexte environnemental et conomique de lautomobile

0 200 400 600 800 1000 12000

50

100

150

Temps [s]

Figure 1.5.2 Squence dessai pour la mesure des missions (cycle NEDC) durglement R101

La mesure des missions CO2 est effectue, tout au long du cycle, lchappementdu vhicule en utilisant une chane dinstrumentation adapte. La consommation encarburant est calcule partir dun bilan carbone fond sur les missions lchap-pement de CO2 et des autres missions associes au carbone (CO et HC).Dans le cas des vhicules hybrides sans possibilit de recharge batterie sur le

secteur, le carburant fossile est la seule source dnergie extrieure au vhicule. De cefait, la consommation homologue doit tenir compte de la consommation lectriquesur la batterie en convertissant cette dernire en quivalent dnergie de carburantfossile. La consommation homologue est donc prsente avec une variation de chargebatterie nulle (M Ebatt = 0) entre le dbut et la fin du cycle. En consquence, enparallle la mesure de consommation de carburant fossile, la variation de la chargeQ [Ah] de la batterie doit tre mesure durant le cycle comme illustr par la Figure1.5.3 :

Figure 1.5.3 Description de la mthode de dtermination de la consommationdun vhicule hybride (non rechargeable sur le secteur)

La consommation en carburant fossile C0 bilan de charge batterie nul est dter-mine par la relation 1.5.1 :

20

1.5 Homologation des automobiles

C0 = C KfuelQ, (1.5.1)avec :C : Consommation en carburant fossile dtermine durant le cycle et exprime en

l/100kmQ : Variation de la charge de la batterie durant le test exprime en AhKfuel : Coefficient de correction de la consommation en carburant fossile, permet-

tant de compenser la variation de ltat de charge de la batterie. Ce coefficient tablipar le constructeur automobile est dtermin partir de diffrentes acquisitions ef-fectues sur des cycles ayant engendrs la charge ou la dcharge de la batterie (aumoins un essai avec Q > 0 et Q < 0). Il correspond au coefficient directeur de ladroite de rgression, il est gal 1.5.2 :

Kfuel =Covariance (Q,C)V ariance (Q) . (1.5.2)

A titre indicatif, dans le cas des vhicules hybrides rechargeables sur le secteur(Plug-in), le vhicule utilise 2 sources dnergies externes (Electricit du secteur etcarburant fossile), en consquence 2 consommations sont mesures et homologues :lune correspond la consommation en carburant fossile et lautre la consommationlectrique sur le secteur.Sur un mme cycle normalis, la rpartition de la consommation nergtique d-

pendra de ltat de charge (SOC) de la batterie au dbut de lessai. Aussi la procdurerglementaire consiste drouler 2 fois le cycle NEDC, effectus respectivement avecun SOC initial minimal et un SOC initial maximal, dont les seuils sont fixs arbi-trairement par les constructeurs automobiles. La consommation homologue issuede ces mesures correspond une pondration de la consommation sur la base des 2rsultats de mesures de consommation en nergies lectriques et en nergies fossiles.

1.5.3 Rglement WLTPLtablissement du rglement WLTP fait lobjet de concertations entre les diff-

rents constructeurs automobiles et les instances Europennes. Si la procdure nestpas encore finalise, le cycle WLTC, construit partir dune base de donnes repr-sentative des usages automobiles au niveau international, est quasiment adopt. Ila t adapt en fonction de la puissance du vhicule et de sa masse vide selon 3catgories, afin de tenir compte des fortes diffrences de performances dynamiqueslongitudinales entre ces diffrentes classes de vhicule : Classe 1 : Puissance massique 622 W/kg Classe 2 : Puissance massique > 22 W/kg et 634 W/kg Classe 3 : Puissance massique > 34 W/kg

Seul le cycle dhomologation de la classe 3 nous intresse dans cette tude ciblesur les vhicules du march de PSA Peugeot Citron. Les classes 1 et 2 ont tprvues pour lhomologation de petits vhicules faiblement motoriss. Le cycle de laclasse 3 actuellement dans sa version 5.0 se dcompose en 4 parties appeles Basse

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Chapitre 1 Le contexte environnemental et conomique de lautomobile

vitesse , Moyenne vitesse , Haute vitesse et Trs haute vitesse , dont lescaractristiques sont prcises en annexe B.La courbe Figure 1.5.4 prsente le cycle WLTC tel quil est actuellement dfini,

mais susceptible dvoluer dici sa ratification. Il sera utilis pour les calculs deconsommation et dmissions en comparaison du cycle MVEG.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 18000

50

100

150

Temps [s]

Figure 1.5.4 Cycle WLTC classe 3 version 5

Comme pour le rglement R101, il semblerait que le facteur climatisation, forte-ment impactant sur la consommation vhicule, ne soit pas intgr mais ferait lobjetdune homologation spcifique. Le client verrait donc apparaitre des informationsde consommation vhicule exprimes en l/100km et en Wh/km pour les vhiculesPlug-in, complt par une consommation ddie au confort habitacle.

1.5.4 Autres cyclesIl existe dautres cycles utiliss pour lhomologation dans diffrents pays hors de

la Commission Europenne, tels que les cycles normaliss amricains FTP, UDDSou Japonais 10-15 modes.Par ailleurs, dautres cycles qui nont pas de caractres dhomologation mais plus

reprsentatifs des usages clients ont t crs partir de donnes statistiques re-cueillies sur vhicule en usage rel, tels que les cycles INRETS 4 (UL1, UL2, UF1,UF2, UF3, R1, R2, R3, A1, A2) qui dcrivent diffrentes situation dusage des v-hicules, urbain lent, urbain fluide, route et autoroute [16] (voir annexe B). Plusrcemment, les cycles Hyzem puis ARTEMIS, composs dun cycle urbain, duncycle route et dun cycle autoroutier, ont t proposs[17]. Mais prsentant une dis-crtisation plus faible des usages, ils nont pas t pris en compte dans cette tudeseuls les cycles INRETS sont pris en considration.

4. INRETS : Institut National de Recherche sur les Transports et leur Scurit a fusionn le 1erJanvier 2011 avec le LCPC (Laboratoire Central des Ponts et Chausses) pour former lIFSTTAR(Institut Franais des Sciences et Technologies de Transports, de lamnagement et des Rseaux)

22

1.6 Usages et attentes des clients

1.6 Usages et attentes des clients

1.6.1 UsagesPour estimer les attentes clients lhorizon 2020, on se propose danalyser les

usages actuels de lautomobile.Pour mmoire, en fonction des usages et des tailles de vhicule, le march auto-

mobile a t dcoup par segments dfinis en Europe par des lettres : Segment A : mini-citadines de longueur comprise entre 2m50 et 3m60, telles

que Peugeot 108, Citron C0, Toyota IQ. . . Segment B (B1 et B2) : citadines polyvalentes de longueur comprise entre

3m60 et 4m05, telles que Citron DS3, Peugeot 208 Segment C (ou M1) : compactes de longueur comprise entre 4m05 et 4m50,

telles que Citron DS4, Peugeot 308 Segment D (ou M2) : familiales de longueur comprise entre 4m50 et 4m80,

telle que Citron C5 Segment H1 : routires de longueur > 4m80, telles que Citron C6 ou Peugeot

508 Segment H2 : berlines de luxe, segment privilgi des marques Cadillac, Bent-

ley, Rolls Royce . . .Lobservation des usages automobiles par segment montre que les vhicules des

segments B et C (M1) sont principalement utiliss pour des trajets en ville (Al-ler/retour au travail, faire les courses, ...) et quoccasionnellement, ils sont utilisspour partir en weekend voire en vacances. Les vhicules du segment M2 et H ontune vocation moins diffrencie en termes dusage. Sils sont utiliss plus frquem-ment pour les week-end et les vacances, leur utilisation pour des besoins urbainsquotidiens est aussi frquente (voir tableau de synthse 1.1).

Segments (berlines)Usages B1 B2 M1 M2 H1-H2En ville

Presque chaque jour71% 67% 65% 61% 67%

Trajet domicile travailPresque chaque jour

68% 67% 66% 57% 61%

Week-endAu moins une fois par mois

34% 42% 54% 59% 60%

VacancesAu moins une fois par an

47% 70% 85% 90% 90%

Table 1.1 Photographie des usages automobiles par segment dans lEurope des 5(France, Allemagne, Italie, Espagne, Grande Bretagne) en 2008

Les enqutes TNS-SOFRES montrent que, quel que soit le segment, sur le marcheuropen la rpartition des usages route, autoroute, ville et montagne est reste trs

23

Chapitre 1 Le contexte environnemental et conomique de lautomobile

stable sur 20 ans. Le graphique de la Figure 1.6.1 en donne une illustration pourles vhicules du segment B2. Dans les annes venir, cette rpartition ne devraitpas voluer radicalement. Toutefois, laugmentation du prix des carburants amneles automobilistes rationaliser leurs dplacements et on constate une tendance la diminution du kilomtrage moyen annuel denviron 1% par an.

Figure 1.6.1 Exemple dvolution des usages vhicule pour le segment B2 Essence

Quotidiennement, chaque automobiliste effectue en France en moyenne 2,04 dpla-cements. Les 2 graphiques Figures 1.6.2 et 1.6.3 donnent une image des distributionsde distances parcourues par jour ainsi que leurs rpartitions cumules [18]. On peutremarquer que 92% des dplacements totaux quotidiens font moins de 100 km, avecun pic entre 10 et 20 km.

Figure 1.6.2 Rpartition en % de dplacements en France par classe de distance

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1.6 Usages et attentes des clients

Figure 1.6.3 Rpartition cumule en % de dplacements en France par classe dedistance

1.6.2 Attentes des clientsSi 90% des consommateurs envisageraient dacheter un vhicule vert , 61% ne

paieraient pas un surcot pour un produit cologique, tel est le constat effectu pardes organismes de sondages de lopinion public. Le critre environnemental inter-vient donc dans les intentions dachat, mais le facteur conomique reste llmentdclenchant. Face laugmentation du prix des carburants, le consommateur va trede plus en plus regardant sur le cot dusage des vhicules (TCO). Loffre du march,qui lui permettait de faire un choix entre essence ou diesel, en pesant les avantageset les inconvnients par rapport son utilisation, slargit dornavant aux vhiculeslectriques, hybrides ou hybrides rechargeables.Le vhicule lectrique dont le cot en carburant est de lordre de 1,5/100 km se

trouve pnalis par son prix de vente particulirement lev, consquence du cotde fabrication de ses batteries. En aot 2012, Peugeot dcide de brader ses vhiculeslectriques au tarif de 10 900 au lieu de 29 500. En quelques jours, les vhiculescibls par cette promotion sont vendus. Il y a donc une demande pour des vhiculeslectriques dont lusage est limit aux zones urbaines / pri-urbaines (autonomie delordre de 100 150 km) mais un prix acceptable. Sinon, le consommateur orienteson choix vers un vhicule diesel ou hybride la fois moins cher et plus polyvalent.Comme le montre le tableau 1.2, le prix des vhicules hybrides essence tend grce

aux aides gouvernementales se rapprocher