PROCEDE DE GESTION D'ENERGIE D'UNE CHAINE DE TRACTION D'UN VEHICULE HYBRIDE ET VEHICULE HYBRIDE
L'invention concerne les stratégies de gestion des énergies qui sont mises en jeu au sein des véhicules hybrides (thermique/électrique) Elle concerne plus particulièrement un procédé de gestion d'énergie d'une chaîne de traction d'un véhicule hybride qui a pour but de minimiser la consommation en carburant et de préserver la durée de vie des moyens de stockage d'énergie électrique.
Une chaîne de traction hybride est illustrée schématiquement à la figure 1. Une telle chaîne de traction comporte typiquement un moteur thermique 1 fournissant une énergie mécanique aux roues motrices 2 du véhicule (une seule roue est représentée), une ou plusieurs machines électriques 3 (une seule machine électrique est représentée) fournissant une énergie électrique aux roues 2 du véhicule, des moyens de stockage de l'énergie électrique 4, des moyens 5 de transmission des énergies mécanique et électrique aux roues 2 du véhicule, et des moyens 7 de récupération d'énergie électrique délimités par une ligne fermée discontinue.
Un des moyens de récupération d'énergie possible dit également « naturel » est, par exemple l'utilisation de la machine électrique en générateur de courant au moment d'une décélération. La machine électrique fonctionnant alors en générateur transforme l'énergie mécanique/cinétique reçue des roues en énergie électrique.
Il est connu, notamment du document EP0759370, une régulation d'une chaîne de traction d'un véhicule hybride telle que décrite ci-dessus comportant une sélection du mode de conduite (thermique/électrique) en fonction du rendement du mode de conduite en électrique. Selon ce document, on compare deux valeurs d'une quantité physique pour décider du mode de conduite afin d'optimiser la consommation en carburant. Il est donc nécessaire de connaître en permanence cette consommation.
Dans ce document, la consommation du moteur thermique est calculée à partir du rendement moyen du moteur thermique déterminé de manière empirique, à partir d'un historique de roulages.
L'utilisation du rendement moteur pour le calcul de la consommation du moteur thermique donne des résultats peu précis puisque dans le rendement, on inclut les pertes liées au régime moteur.
Le procédé selon l'invention a notamment pour but de pallier cet inconvénient en proposant une solution à la fois plus simple et plus précise.
Selon l'invention, la consommation est calculée à partir d'un coefficient qui correspond à une caractéristique des moteur thermiques connue sous l'appellation de consommation « marginale »
A cet effet, l'invention a pour premier objet, un procédé de gestion d'énergie d'une chaîne de traction d'un véhicule hybride qui s'appuie sur une architecture du type de la figure 1 , ledit procédé consiste : - dans une première étape, à déterminer, en temps réel, le gain de consommation en carburant du moteur thermique en effectuant la différence entre la consommation du moteur thermique allumé et la consommation équivalente moteur thermique éteint, indépendamment d'autres sources d'énergie externes au moteur thermique ; la consommation équivalente étant calculée à partir d'un coefficient déterminé correspondant au rapport d'un delta de consommation et d'un delta de puissance moteur pour un régime déterminé ; et
- dans une deuxième étape, à décider d'allumer ou d'éteindre le moteur thermique en fonction d'un critère déterminé et du gain de consommation, ledit critère étant dépendant du niveau de récupération des moyens de récupération d'énergie électrique et déterminé de manière à accroître l'utilisation des moyens de stockage d'énergie électrique et arrêter le plus souvent possible le moteur thermique.
Le procédé selon l'invention consiste, en outre, dans une troisième étape supplémentaire, à utiliser une information sur l'état de charge des moyens de stockage d'énergie électrique pour déterminer la puissance du moteur
thermique juste nécessaire pour satisfaire la demande de puissance à la roue quand la décision d'allumer le moteur thermique a été prise. En plus d'optimiser la consommation de carburant, le procédé selon l'invention va dans le sens à préserver la durée de vie de des moyens de stockage de l'énergie électrique.
Par moyens de stockage d'énergie électrique, on entend tout moyen ayant une capacité de réserve d'énergie électrique telle que par exemple, une super capacité ou une batterie d'accumulateurs. Pour simplifier, la description, nous utiliserons le terme batterie pour définir les moyens de stockage. L'invention a également pour objet un véhicule hybride comportant une chaîne de traction hybride du type décrit précédemment et comportant en outre des moyens de commande mettant en œuvre le procédé selon l'invention tel que défini ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif et sur lesquels :
- la figure 1 , déjà décrite, représente une architecture simplifiée d'une chaîne de traction hybride de l'état de l'art ;
- la figure 2 représente un organigramme des deux premières étapes du procédé selon l'invention ;
- la figure 3 représente un synoptique de la première étape du procédé selon l'invention ;
- la figure 4, représente une cartographie des courbes de régimes en fonction de la consommation du moteur thermique ; - la figure 5a montre le parcours de l'énergie mécanique, moteur thermique allumé (chemin 1 ), dans le cadre de la première étape du procédé selon l'invention ;
- la figure 5b montre le parcours de l'énergie mécanique, moteur éteint (chemin 2), dans le cadre de la première étape du procédé selon l'invention ; - la figure 6 représente un synoptique de la deuxième étape du procédé selon l'invention ;
- la figure 7a montre le parcours de l'énergie mécanique, moteur thermique
allumé, (chemin 3) et la prise en compte de la récupération de l'énergie additionnelle, moteur thermique éteint (chemin 3'), dans le cadre de la deuxième étape du procédé selon l'invention ;
- la figure 7b montre le parcours de l'énergie mécanique (4) avec la prise en compte de la récupération de l'énergie additionnelle pour assister le moteur thermique (chemin 4'), dans le cadre de la deuxième étape du procédé selon l'invention ;
- la figure 8 montre l'évolution du critère d'arrêt du moteur thermique en fonction de l'état de charge des moyens de stockage d'énergie électrique ; - la figure 9 représente un synoptique de la troisième étape du procédé selon l'invention ;
- la figure 10a montre le parcours de l'énergie mécanique, moteur thermique allumé (chemin 5), dans le cadre de la troisième étape du procédé selon l'invention ; - la figure 10b montre le parcours de l'énergie mécanique, avec utilisation des moyens de stockage (chemin 6), dans le cadre de la troisième étape du procédé selon l'invention ; et
- la figure 1 1 montre l'évolution de la puissance délivrée par les moyens de stockages d'énergie électrique, moteur thermique allumé, en fonction de l'état de charge des moyens de stockage/
Sur les figures; les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments.
Le procédé selon l'invention est illustré par l'organigramme de la figure 2.
Il consiste dans une première étape 8 à déterminer le gain de consommation du moteur thermique puis dans une deuxième étape 9, à décider d'allumer ou d'éteindre le moteur thermique en fonction d'un critère déterminé et du gain de consommation.
La première étape 8 est illustrée par le synoptique de la figure 3.
Cette première étape est basée sur le calcul du gain de consommation G potentiel associé à l'arrêt du moteur thermique à un moment donné du parcours. C'est en effectuant ce calcul en temps réel et en comparant le résultat
de ce calcul à un coefficient déterminé, que l'on décide si le moteur thermique doit rester allumé ou doit être éteint. On décrit ci-après, la façon de calculer ce gain G.
Dans cette première étape 8, on ne considère ni la récupération d'énergie ni les sources d'énergie externes au moteur thermique. La seule source d'énergie considérée est celle fournie par le moteur thermique.
La consommation du moteur thermique à un moment donné est déterminée à partir d'une cartographie de mesures de régimes qui donne la consommation du moteur en fonction de sa puissance et de son régime. Une telle cartographie est illustrée à la figure 4 qui représente trois courbes de régimes, respectivement 1 , 2 et 3, exprimés en tour/minute (tr/min) dans un repère présentant la consommation en carburant, en ordonnée, exprimée en gramme/seconde (g/s), et la puissance, en abscisse, exprimée en kilowatt (kW). La puissance est celle nécessaire à la roue pour assurer la traction, aux pertes de la transmission près. Ni le rapport de transmission (ou le régime moteur), ni la vitesse ne sont gérés par le procédé selon l'invention. On considère qu'ils ont été optimisés au préalable pour assurer l'ensemble des prestations véhicule (consommation, agrément, performances). La figure 5a montre le parcours de l'énergie mécanique lorsque le moteur est allumé (chemin 1 ). L'énergie mécanique est transmise directement aux roues vis les moyens de transmission.
Sur cette figure et sur les figures suivantes illustrant les parcours des énergies dans la chaîne de traction hybride, on a représenté les moyens de récupérations 7 à l'intérieur d'un contour fermé délimité par une ligne discontinue. De même, on a représenté par un bloc 11 les moyens de commande utilisés par le procédé selon l'invention pour commander l'allumage ou l'arrêt du moteur thermique 1.
La consommation équivalente, moteur thermique éteint, est estimée selon le raisonnement suivant : lors du roulage en mode électrique pur, la consommation réelle du moteur thermique est nulle, mais la batterie (source de puissance de la machine électrique) se décharge. Cette décharge est égale à la puissance nécessaire à la roue pour assurer la traction, aux pertes de
transmission près. Étant donné qu'in fine, la seule source d'énergie est le moteur thermique, la batterie ne servant que de relais, cette décharge en mode électrique pur doit être compensée par une recharge ultérieure lorsque le moteur thermique est rallumé. C'est pour cela que le rendement de la chaîne électrique est symbolisé deux fois sur la figure 3. Ensuite, en faisant l'approximation qu'un delta de puissance du moteur thermique est proportionnel au surplus de consommation occasionnée (cf. figure 4), la consommation équivalente, moteur thermique éteint, est égale à la puissance à la roue, augmentée des pertes dans la chaîne électrique lors de la décharge et de la recharge, multiplié par un coefficient de proportionnalité K. Autrement dit, le coefficient de proportionnalité K est égal au rapport entre un delta de consommation et un delta de puissance moteur pour un régime déterminé. Les propriétés du moteur thermique confèrent à ce coefficient K une relative constance en fonction de son régime et de son couple. Cette constance confère précision et simplicité à la stratégie par rapport à l'utilisation d'un rendement global moyen du moteur qui varie significativement en fonction du régime et du couple.
La figure 5b montre le parcours de l'énergie lorsque le moteur thermique est éteint. L'énergie fournit par le moteur thermique transite par la chaîne électrique. Elle est matérialisée par une flèche en trait continu (chemin 2).
Enfin, le gain de consommation G est déterminé par la différence des deux consommations. Si ce gain G est positif la décision d'arrêter le moteur thermique est prise. On donne ci-après, à titre non limitatif, un exemple dans lequel un véhicule roule à une vitesse de 30 km/h pendant une période T (par exemple 100 secondes), et roule ensuite à 100 km/h pendant la période T+1 (100 secondes). On se pose la question d'arrêter ou pas le moteur thermique pendant la période T. Pour simplifier, on a négligé les pertes dans la liaison mécanique (boîte de vitesses) : a) Si on n'arrête pas le moteur thermique, la machine électrique n'est pas utilisée et sa consommation est celle d'un véhicule conventionnel.
b) Si on arrête le moteur thermique pendant la période T, la consommation du véhicule pendant cette période est nulle, mais la batterie, qui fournit la puissance nécessaire pour le roulage du véhicule, se décharge. Afin de garder un niveau de charge constant dans la batterie, on doit la recharger pendant la période T+1. Le moteur doit alors fournir la puissance nécessaire à la fois pour le roulage du véhicule et pour la recharge de la batterie.
En comparant les deux consommations a) et b), on observe un gain de consommation de carburant lorsqu'on éteint le moteur thermique pendant la période T. Avec le procédé selon invention, on peut estimer ce gain G à tout moment lorsqu'on connaît les paramètres physiques du moteur thermique ; K et b, (en fonction du régime) et le rendement moyen de la chaîne électrique.
Le gain G peut s'exprimer par la formule suivante :
G = Consommation en mode thermique - Consommation équivalente en mode électrique soit
G = [ Pmth.K + b(Nmth)] - [ Pmth.K / ηelec2]
Avec
Pmth = puissance fournie parle moteur thermique K = coefficient de proportionnalité définit par cartographie prédéterminée du moteur thermique
Nmth = régime du moteur thermique b = partie de consommation qui dépend uniquement du régime moteur Nmth ηelec = rendement de la chaîne électrique La consommation en mode thermique s'exprime par la somme de la puissance fournie par le moteur thermique, multiplié par le coefficient K, et de la partie de consommation b qui dépend uniquement du régime (cf. figure 4). A un régime moteur Régime 1 , 2, 3, ... correspond une consommation b1 , 2, 3, ...
Dans la deuxième étape 9 du procédé selon l'invention, telle qu'illustrée par le synoptique de la figure 6, on prend en compte l'énergie additionnelle fournie par les moyens de récupération d'énergie lors des décélérations, ou par toute autre
source d'énergie embarquée ou externe, dans la décision d'allumage/ arrêt du moteur thermique.
L'énergie récupérée par les moyens de récupération est utilisée d'une façon optimale pour assurer la traction dans les phases moteur thermique éteint. Cette énergie n'est pas utilisée pour assister le moteur thermique à fournir de la puissance lorsqu'il est allumé.
Dans un premier mode de gestion, l'énergie récupérée est utilisée dans les phases de traction, moteur thermique éteint, et l'énergie du moteur thermique est utilisée directement par la roue dans les phases moteur thermique allumé. Ce premier mode de gestion permet d'augmenter la durée de vie de la batterie contrairement à un mode gestion dans lequel la batterie est sollicitée en permanence.
Le parcours de l'énergie fournie directement par le moteur thermique aux roues via les moyens de transmission est matérialisé à la figure 7a par une flèche en trait continu (chemin 3). Le chemin de l'énergie récupérée par les moyens de récupération et restituée aux roues, est matérialisé par une flèche en trait discontinu (chemin 3').
Dans un deuxième mode de gestion, l'énergie récupérée par les moyens de récupération est utilisée pour assister le moteur thermique dans les phases de traction, et l'énergie nécessaire pour financer les arrêts du moteur thermique est fournie par le moteur thermique lui-même lorsqu'il est allumé.
Le parcours de l'énergie fournie aux roues par le moteur thermique, assisté par les moyens de récupération, est matérialisé sur la figure 7b (chemin 4) par une flèche en trait continu. Le parcours de l'énergie récupérée par les moyens de récupération et restitué aux roues est matérialisé par une flèche en trait discontinu (chemin 4').
Le premier mode de gestion est alors privilégié par rapport au deuxième, étant donné que dans le deuxième mode, les pertes dans la chaîne électrique sont supérieures et la batterie est donc plus sollicitée. Le moyen utilisé par le procédé selon l'invention pour déterminer le niveau de récupération des moyens de récupération, est l'état de charge de la batterie.
Ainsi, lorsque l'état de charge de la batterie est supérieure à une limite haute
déterminée (SOCmax) de la zone de fonctionnement nominale de la batterie, un critère C est utilisé pour déterminer l'arrêt du moteur thermique. Il est adapté en temps réel afin d'accroître l'utilisation de la batterie et d'arrêter le plus souvent possible le moteur thermique. Dans la pratique, on admet l'arrêt du moteur lorsque le gain G, calculé dans la première étape, est supérieur au critère C, C devenant négatif et croissant en fonction de l'état de charge. La figure 8 illustre une représentation graphique du critère C, exprimé en gramme par seconde (g/s), dans un repère dans lequel on a représenté le gain G en ordonnée, exprimé en gramme par seconde (g/s), et l'état de charge de la batterie en abscisse, exprimé en %.
Selon cette représentation, le critère C, représenté par un trait discontinu, peut se décomposer en deux parties successives : une première partie dans laquelle le critère C est nul jusqu'à la limite supérieure SOCmax déterminée et une deuxième partie dans laquelle le critère C suit une fonction décroissante déterminée en fonction de l'état de charge de la batterie C= f(SOC).
La zone dite de traction en électrique pur, est représentée sur la figure par un nuage de points ; elle est délimitée par le critère C.
Pour illustrer le principe, en reprenant un exemple pratique non limitatif, on considère que pendant une période T- 1 (100 secondes), le véhicule récupère une certaine quantité d'énergie augmentant le niveau de charge de la batterie. Ensuite, pendant une période T (100 secondes), le véhicule roule à une vitesse de 50 km/h sur une légère pente. Finalement, le véhicule roule à une vitesse constante de 100 km/h pendant la période T+1 (100 secondes). On se pose alors la question d'arrêter ou pas le moteur thermique pendant la période T. a) Si on n'arrête pas le moteur thermique pendant la période T, l'énergie stockée dans la batterie est utilisée pour assister le moteur thermique dans les périodes T et T+1. b) Si on arrête le moteur thermique pendant la période T, la consommation du véhicule pendant cette période est nulle, et la traction est assurée par l'énergie stockée dans la batterie. Pendant la période T+1 , la machine électrique n'est pas utilisée et la consommation du véhicule est celle du véhicule conventionnel.
En comparant les deux cas a) et b) on observe un gain de consommation lorsqu'on éteint le moteur thermique pendant la période T. Et cela, même si le calcul du gain G pour les conditions de roulage de la période T donne un gain proche de zéro et négatif. En effet, lorsque l'état de charge de la batterie est très élevé (au début de la période T), le critère d'arrêt du moteur thermique C devient négatif (cf. figure 8). Ainsi, pour la situation de roulage de la période T, les moyens de commande demandent un arrêt du moteur thermique. On a donc démontré, grâce au procédé selon l'invention, qu'il est plus avantageux d'arrêter le moteur lorsque le niveau de charge de la batterie est élevé (grâce à l'énergie récupérée) même si le calcul du gain G est nul ou devient négatif.
Dans une troisième étape 12, illustré par le synoptique de la figure 9, le procédé détermine la puissance du moteur, une fois que la décision de l'allumer a été prise. Le principe est de fournir la puissance juste nécessaire pour satisfaire la demande de puissance à la roue. La figure 10a montre le parcours de l'énergie fournie par le moteur thermique directement aux roues via les moyens de transmission, le parcours est matérialisé par une flèche en trait continu (chemin 5). Dans l'hypothèse qu'un delta de puissance du moteur thermique est proportionnel à un delta de consommation, l'utilisation de la batterie avec le moteur thermique allumé pénalise la consommation globale puisque un delta de puissance moteur à un moment donné doit être compensé ultérieurement par le même delta de puissance augmenté des pertes électriques. La figure 10b montre le parcours de l'énergie fournie par le moteur thermique prenant en compte la batterie, le parcours est matérialisé par une flèche en trait continu (chemin 6).
Cependant, dans le cas où la récupération par les moyens de récupération ne permet pas de financer la totalité des arrêts du moteur thermique dans les zones intéressantes (zones où le gain G est positif), le procédé est amené à commander la recharge de la batterie.
Selon l'invention, le procédé utilise l'état de charge de la batterie pour mesurer le niveau de récupération des moyens de récupération. Ainsi, lorsque l'état de charge de la batterie est inférieur à une limite basse déterminée (SOCmin) de la zone de fonctionnement nominal de la batterie, le moteur thermique fournit un surplus de puissance afin de recharger la batterie et faire revenir son état de charge dans la zone nominale. Etant donné que les pertes dans la chaîne électrique et l'usure de la batterie sont proportionnelles au carré de la puissance, la recharge de la batterie est réalisée d'une façon progressive jusqu'à un état de charge maximum déterminé. En d'autres termes, la puissance du moteur est accrue d'une puissance Pbat, Pbat étant décroissante en fonction de l'état de charge.
La figure 1 1 illustre l'évolution de la recharge de la batterie dans un repère dans lequel on a représenté la puissance de la batterie, moteur thermique allumé, en ordonnée, exprimée en kilowatt (kW), et l'état de charge de la batterie en abscisse, exprimé en %.
Toujours pour donner une illustration du principe, on considère par exemple, que pendant une période T (100 secondes), le véhicule roule à une vitesse de 100 km/h avec le moteur thermique allumé. Pendant une période T+1 (100 secondes), le véhicule roule encore une fois à 100 avec le moteur thermique allumé. On se pose la question d'utiliser ou pas la machine électrique pendant la période T. a) Si on n'utilise pas la machine électrique pendant la période T, la consommation est celle du véhicule conventionnel. b) Si on utilise la machine électrique pendant la période T pour assister le moteur thermique, les batteries sont déchargées et il va falloir les recharger pendant la période T+1.
En comparant les deux cas a) et b), on observe une perte de consommation lorsqu'on utilise la machine électrique pendant la période T. On a donc démontré, grâce au procédé selon l'invention qu'il faut éviter d'utiliser la machine électrique lorsque le moteur thermique est allumé (si l'état de charge de la batterie le permet).
Les principes de base utilisés par le procédé selon l'invention sont simples, basés sur des approximations physiques, et non pas sur le résultat de méthodes d'optimisation complexes. D'autre part, la portabilité du procédé est aisée sur des nouvelles applications. Le procédé est simple, comparé aux procédés utilisés actuellement dans les prototypes de véhicules hybrides, la puissance des calculateurs embarqués nécessaire s'en trouve réduite.