CONTRIBUTION À L’ETUDE DE LA GESTION D’ENERGIE D’UNE ...

Université d’AntananarivoECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE

DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE ET GENIE MECANIQUE PRODUCTIQUE

FILIERE : Génie Industriel

Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du diplôme

d’ingénieur enGénie Industriel

N° d’ordre : 013/G.I/ 2005

Présenté par : RATEFIARISON Dolly Harivola

Directeur de mémoire : RAKOTONIAINA Solofo Hery

Date de soutenance : 01 Avril 2006

Année universitaire 2004-2005

CONTRIBUTION À L’ETUDE DE LA GESTION

D’ENERGIE D’UNE VOITURE ELECTRIQUE

SOLAIRE

UNIVERSITE D’ANTANANARIVOECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE

DEPARTEMENT GENIE INDUSTRIEL------------------

Mémoire de fin d’études

en vue de l’obtention

du Diplôme d’Ingénieur en Génie Industriel.

CONTRIBUTION À L’ETUDE DE LA GESTION

D’ENERGIE D’UNE VOITURE ELECTRIQUE

SOLAIRE

Présenté par :

RATEFIARISON Dolly Harivola

Membres du Jury :

Président : Andriamitanjo Solofomboahangy. Rapporteur : Rakotoniaina Solofo Hery

Examinateurs : Ravalomanana Olivier. Ramelina Arimonjy

Ratovoharisoa

REMERCIEMENTS

Ce mémoire a pu être mené à terme grâce à ceux qui ont de près ou de loin ,voulu nous

apporter leurs aides et conseils.

D’abord, louons l’Eternel, le Seigneur Tout puissant de nous avoir donné la force, la santé et

le courage pour la réalisation de ce travail.

Ainsi, il nous est particulièrement agréable d’adresser nos remerciements :

A Monsieur Andrianoelina Benjamin, Directeur de l’E.S.P.A de m’avoir admis à

poursuivre les études au sein de cette Ecole de formation d’Ingénieurs.

A Monsieur Andrianaharison Yvon, Chef de Département Génie Electrique à

l’E.S.P.A qui nous a formé et guidé tout au long de nos années d’études.

A Monsieur Rakotoniaina Solofo Hery, enseignant à l’E.S.P.A qui n’a cessé de nous

guider tout au long de l’élaboration de ce mémoire .Ce travail n’a pas reçu la

dimension qu’impose le sujet sans son intervention.

A Monsieur Andriamitanjo Solofomboahangy, Enseignant à l’E.S.P.A pour avoir

présidé ce mémoire malgré ses multiples occupations.

Mes remerciements vont aussi aux membres de jury en personne de :

Monsieur Ramelina Arimonjy, Monsieur Ratovoharisoa, Monsieur Ravalomanana

Olivier enseignants à l’E.S.P.A ; pour l’honneur que vous me faites en siégeant parmi

les membres de jury de ce mémoire malgré tous vos impératifs.

Je ne saurais oublier tous les enseignants de l’Ecole Supérieure Polytechnique

d’Antananarivo, en particulier ceux du département Génie Industriel qui n’ont pas ménagé

leurs connaissances et savoir-faire pour nous inculquer la meilleure formation.

Mes pensées particulières vont à toute ma famille, surtout à mes parents : ces quelques

lignes ne sauraient exprimer toute ma gratitude et mon affection. Vos soutiens que ce soit

moral, spirituel ou affectif sont les piliers du temps présent.

A tous mes amis : votre allégresse et vos encouragements m’ont permis de concilier à la

fois mes études académiques et la réalisation de ce mémoire.

_______________________________________________________________________________Sommaire

TABLE DES MATIERES

LISTE DES FIGURES

LISTE DES TABLEAUX

LISTE DES ABREVIATIONS

INTRODUCTION…………………………………………………………………………………1

CHAPITRE I : LE TRANSPORT ET L’ENERGIE AU SERVICE DU DEVELOPPEMENT DURABLE

I.1 Problématique : anticipation à la fin du pétrole. [1]__________________________________3

I .1 . 1 La consommation actuelle en pétrole.................................................................................. 3

I.1 .2 Indicateurs locaux :[2]............................................................................................................ 4

I. 1 3 Consommation en pétrole dans le futur ............................................................................... 4

I .1. 4 Alternatives a la consommation du petrole : [3] [4]............................................................ 5I.1.4 .1Consommation mondiale par type d’énergie ......................................................................................5I.1.4.2 Contexte énergétique à Madagascar [5]............................................................................................... 6

I .1. 5 La consommation d’énergie dans le secteur du transport ................................................. 6I.1.5.1 Niveau mondial [6]...............................................................................................................................6I.1.5.2 Cas de Madagascar :.............................................................................................................................8

I.2 Les tendances actuelles dans la construction automobiles _____________________________9

I.2.1 Les voitures diesel utilisant les biocarburants [7]......................................................... 9 I . 2 .1.1 Principe de l’obtention des biocarburants :....................................................................... 9 I .2. 1.2 La consommation de biocarburants au niveau mondial : ................................................ 9 I. 2. 1.3 Les biocarburants à Madagascar :[2].............................................................................10 I. 2. 1.4 Pollution sur les rejets. ............................................................................................... 10

I. 2.2 Les voitures hybrides [9]............................................................................................. 11 ................................................................................................................................................ 11 I. 2 .2.1 Caractéristiques des voitures hybrides ........................................................................................... 12 I .2.2.2 Pollution par les rejets............................................................................................. 12

I .2.3 Les voitures à piles hydrogène [10] ..................................................................... 12 I .2.3.1 Les piles à hydrogène ou à combustible....................................................................12I .2.3.2 Impacts sur l’environnement............................................................................................................. 13

I.3 Comparaison des alternatives [11]___________________________________________________13

I.4 Conclusion :_________________________________________________________________________14

II. 1 Historique ________________________________________________________________________15

II.2 Voitures solaires :__________________________________________________________________15

II.2.1 Principe de fonctionnement :....................................................................................... 15

II.2.2 Les différents types de voitures solaires :.................................................................. 16 II.2.2.1Voiture solaire de HONDA : DREAM II [14]........................................................................16 ................................................................................................................................................................ 17 II.2.2.2 Véhicule solaire solelhada :[15]..................................................................................................17 II.2.2.3 Le véhicule solaire PHOTON III [16]............................................................................... 18II.2.2.4 La voiture solaire de Marvin JOHNSON et Delphine BRAV [17].................................................. 19II.2.2.5 La voiture solaire SCV 4 de KYOCERA [18] ..............................................................................19

II. 3 Les éléments importants d’une voiture solaire._____________________________________20

II. 3. 1 Les panneaux solaires. [18] [19]........................................................................................ 20II . 3. 1. 1 Principe de fonctionnement des cellules photovoltaïques............................................................ 20

_______________________________________________________________________________Sommaire

II. 3. 1 .2 Le dopage...................................................................................................................20 II . 3 .1. 3 Rendement des cellules photovoltaïques :............................................................. 21 II. 3. 1.4 Modèle mathématique d’une cellule solaire................................................................... 22

II. 4 Le parc batterie __________________________________________________________________23

II . 4.1 Principe de fonctionnement des batteries accumulateurs [19] [20] [31]................... 24

II.4..2Les accumulateurs au plomb :............................................................................................. 24

II. 4.3 Réactions chimiques et équations régissant la batterie au plomb ................................... 25

II .4.4 Caractéristiques des batteries accumulateurs au Plomb :....................................... 26II. 5 Le moteur electrique :_____________________________________________________________26

II .5.1 Définition......................................................................................................................... 26

II .5.2 Expression de la fem [21] .............................................................................................. 26

II.5 3 Expression du couple électromagnétique :......................................................................... 27

II.5.4 Bilan de puissance :........................................................................................................... 28

II .5 .5 La conversion d’énergie :.......................................................................................... 28

II.5.6 Caractéristiques du moteur série :............................................................................... 29

II.5.7 Caractéristique mécanique d’un moteur série.......................................................... 29

II.5.8 Le contrôleur moteur. [13]................................................................................................... 30 II.6 Le Maximum Power Point Tracker [13] ______________________________________30

II.7 Conclusion :_______________________________________________________________________30

III.2 Dimensionnement du moteur_____________________________________________________32

III.2.1 Les forces agissant sur la voiture [13]............................................................................... 32

III.2.2 Le couple du au frottement de l’air ........................................................................ 33

III.2.3 Couple du à la résistance au roulement :................................................................ 33

III.2.4 Couple du à l’inclinaison de la pente :............................................................................... 34

III.2.5 Le couple total à exercer ............................................................................................ 34

III.2.6 Couple réelle à exercer. [22]...................................................................................... 34

III.2.7 La puissance minimale du moteur :.......................................................................... 35

III.2.8 Intensité du moteur :.................................................................................................. 35III.2.9Notion de couplage énergie –puissance [20]_____________________________________35

III.4 Dimensionnement du panneau solaire :___________________________________________35

III.4.1 Le module solaire photovoltaïque :.......................................................................... 36

III.4.2 la puissance maximale ................................................................................................. 37

III.4.3 La puissance crête du générateur photovoltaïque [18] ........................................... 37

III.4.4 Estimation de l’énergie que doit fournir le générateur [5]....................................... 37

III.4.5 Nombre de modules photovoltaïques........................................................................... 37

III.4.6 Poids du parc photovoltaïque : [1]..................................................................................... 38III.5 Dimensionnement du parc batterie [23] [18]______________________________________38

III.5.1 Capacité d’une batterie................................................................................................ 38

_______________________________________________________________________________Sommaire

III.5.2 Durée de vie de la batterie ........................................................................................ 38

III.5.3 Rendement :................................................................................................................. 39

III.5.4 Auto décharge............................................................................................................. 39

III.5.5 Intensité délivrée par la source électrochimique ............................................................. 40III.6 Calculs des paramètres de la voiture solaire avec MATLAB _____________________40

III.6.1 Hypothèses .................................................................................................................... 40

III.6.2 Interprétation :............................................................................................................ 41

III.6.4 Manipulation :............................................................................................................. 41

III.6.5 Récapitulation des résultats :...................................................................................... 42

III.6.6 Interprétation des résultats :...................................................................................... 42

III.6.7Choix du moteur – plages de vitesses. ......................................................................... 42

III.6.3 Caractéristiques électriques et mécaniques ............................................................ 43

III.6.8 Prévision de la consommation énergétique............................................................... 44III.7 L’architecture du générateur solaire [15]_________________________________________44

III.8La forme de la voiture.____________________________________________________________47

III.9 Fiche technique de la voiture solaire : _____________________________________________47

IV. 1 But de l’étude :____________________________________________________________________48

IV. 2 Notion d’architecture et de degré de liberté [20] [28]_____________________________48

IV.2.1 Architecture à un degré de liberté :______________________________________________48

IV.2.2 Architecture à deux degrés de libertés............................................................................ 49IV.3 L’architecture adoptée pour la voiture :___________________________________________49

IV.4 Conception de la commande d’un hacheur survolteur pour la gestion des batteries._50

IV.4.1 les hacheurs survolteurs.[24]........................................................................................ 50

IV.4.2 Fonctionnement à courant de source ininterrompu :....................................................... 50

..................................................................................................................................................... 52

IV.4.4 Fonctionnement à courant de source interrompu :...................................................... 52

IV.4.5 Dimensionnement des éléments L et C :.................................................................... 52

IV.4.6 Les paramètres du hacheur :...................................................................................... 53

IV.4.7 La commande du convertisseur. ................................................................................. 53

IV.4.8 Modélisation du convertisseur. ................................................................................... 54

IV.4.9 Le but de la commande ............................................................................................... 54

IV.4.10 Mise en place d’une boucle de courant. .................................................................. 54

IV.4.11 Mise en place de la boucle de tension. ................................................................... 56

IV.4.12 Caractéristiques des réponses indicielles du système :................................................... 57V.1 Principe des graphes de liens :[26] [27] [29]______________________________________60

V.1.1 Effort et flux dans différents domaines........................................................................ 60

V.1.2 Eléments constitutifs .................................................................................................. 61 V.1.2.1 Eléments passifs et actifs :............................................................................................... 61

_______________________________________________________________________________SommaireV.2 Représentation des éléments________________________________________________________62

V.4 Exemple d’applications industrielles_______________________________________________64

V.5 Modèle global avec le formalisme de base de la voiture solaire._____________________65

V.6 Modèle en graphe de lien___________________________________________________________65

V.7 Modélisation en sous système de chaque élément : __________________________________66

V.7.1 Modèle de la batterie .................................................................................................... 66

V.7.2 Modèle du hacheur survolteur ................................................................................. 69

V.7.3 Modélisation du moteur à courant continue ........................................................... 70

V.7.4 Modèle de la partie mécanique :.......................................................................................... 71

V.7.5 Modèle détaillé du générateur photovoltaïque :.......................................................... 72 V.8 Modèle complet de la voiture solaire._______________________________________________73

V.10Conclusion :_______________________________________________________________________75

VI.1Coût estimatif :_____________________________________________________________________76

VI.2Définitions :_______________________________________________________________________77

VI.3Comparaison avec une voiture thermique. _________________________________________77

VI.4Conclusion : _____________________________________________________________________78

VII.1 Appauvrissement de la couche d’ozone :___________________________________________78

VII.2 Réchauffement de la planète :[30]_______________________________________________79

VII.3 Préservation de l’environnement :________________________________________________79

VII.4 Les points avantageux apportés par le véhicule :__________________________________80

VII.5 Les points négatifs_______________________________________________________________80

COCLUSION………………………………………………………………………………………………..…………….… 82

ANNEXES__________________________________________________________________________________

BIBLIOGRAPHIE

______________________________________________________________LISTE DES FIGURES _________________________________________________________________________________________8

COCLUSION………………………………………………………………………………………………..…………….… 82____________________________________________________________________________8

ANNEXES ____________________________________________________________________________8

_________________________________________________________________________________________4

Figure I .1 Consommation mondiale en pétrole 1965-2003(Giga barils _______4

Figure I.2 Comparaison de la consommation en petrole dans les 40 dernières années _________________________________________________________________________________5

Figure I.3 Consommation mondiale par type d’énergie _________________________6

Figure I.4 : Consommation national par type d’énergie ___________6

Figure I.5 Consommation mondiale d’énergie par secteur ___________________7

Figure I.6 Evolution du parc mondial de véhicule de 1940 et 2003[12] _________8

Figure I.7 Biocarburant et du bioéthanol ______________________________9

Figure I.8 Volume de production du biocarburant dans le monde_______10

Figure I.9 Indicateur à effet de serre pour la filière bioéthanol [8]______________11

Figure I.10 Schéma des composants d’une voiture hybride_____________12

Figure I.11 Schéma de principe de la pile à hydrogène_________________13

Figure II.1 Synoptique de la voiture solaire [13]_________________________16

Figure II .2 .DREAM II sur le circuit Australien______________________________________17

Figure II.3 Solelhada – LEEI__________________________________________________________17

Figure II.4 PHOTON III______________________________________________________________18

Figure II.5 Ecolotour__________________________________________________________________19

Figure II.6 Cellule solaire : fonctionnement._____________________________________20

Figure II.7 Cellule solaire -dopage__________________________________________________21

Figure II.8 Schéma electrique d’une cellule solaire ___________________________22

Figure II.9 Fonctionnement d’une batterie_____________________________________________24

Figure II.10 Structure de la batterie a plomb __________________________________25

Figure II.11 Bilan de puissance_________________________________28

Figure II.12 MCC à enroulement inducteur ___________________________________________28

Figure II.13 Schéma de branchement d’un moteur série________________________________29

Figure II.14 Caractéristique du couple moteur_________________________________________30

Figure III .1 Etude dynamique d’un véhicule _______________________32

Figure III.2 Courbe caractéristique I=f(V) d’un module photovoltaïque. *[5]___________36

Figure III.3 Interface de dimensionnement ________________________41

Figure III.4 Plage de vitesse pour une pente donnée____________________________________43

Figure III.5 Caractéristique et performances de la voiture______________________________44

Figure III.5 Caractéristique de deux panneaux éclairés de façons différentes__________45

______________________________________________________________LISTE DES FIGURES Figure III.6 Division en 4 sections du générateur photovoltaïque______________45

Figure III.7 Axe de référence du vecteur éclairement_____________________________46

Figure III.8 Vecteurs normaux aux différentes sections de la voiture solaire__46

________________________________________________________________________________________47

Figure III.9 La forme du véhicule._____________________________________________________47

Figure IV.1 Architecture de la voiture solaire avec le hacheur survolteur______________________________________________________________49

Figure IV.2 Hacheur survolteur__________________________________________50

Figure IV.3 Hacheur survolteur fonctionnement à courant de source ininterrompu___________________________________________________________________________51

Figure VI.4 Hacheur survolteur .Limite de fonctionnement à courant de source ininterrompu__________________________________________________________________________52

Figure IV.4 Schéma équivalent d’un hacheur survolteur.___________________54

Figure IV.5 Boucle de courant ____________________________________55

Figure IV 6 Générateur de courant____________________________________________________56

Figure IV .7 Boucle de tension___________________________56

Figure IV.8 Réponse indicielle de la boucle de courant____________________58

Figure IV.9 Réponse indicielle de la boucle de tension.__________________________________58

Figure V.1 Représentation d’un véhicule electrique solaire avec le formalisme de base___65

Figure V.2 Modèle global en graphe de lien de la voiture solaire__________________________________________________________________________66

Figure V.3 Modèle en graphe de lien de la batterie au plomb___________________________69

Figure V.4 Modèle en graphe de lien du hacheur______________70

Figure V.5 Moteur à courant continue en graphe de lien________________________________71

Figure V.6 Modèle global en graphe de lien de la partie mécanique_________71

Figure V.7 Modèle de la partie mécanique________________________________72

Figure V.8 Variables d’entrées et sorties du panneau solaire._________________73

Figure V.9 Sous système du modèle d’un générateur photovoltaïque_____________________73

Figure V.10 Modèle complet en graphe de lien de la voiture solaire __________74

______________________________________________________LISTE DES ABREVIATIONSTGV : Train à Grande vitesse.

EMHV : Ester Méthylique d’Huile Végétale.

USA : United States of America.

IFP ; Institut Française de Pétrole.

GES : Gaz à Effets de Serre.

MPPT : Maximum Power Point Tracker.

LEEI-ENSEEIHT : Laboratoire d’Electrotechnique et Electronique Industrielle - Ecole

Nationald’Electrotechnique,d’Electronique,d’Informatique,d’Hydraulique

de Toulouse. ONE : Organisation National pour l’Environnement.

____________________________________________________________________________Introduction

INTRODUCTIONLe domaine de l’énergie, principalement basé sur les ressources fossiles est appelé à

connaître une forte évolution en raison des problèmes posés par l’exploitation massive de ces

combustibles. Actuellement, c’est le secteur du transport, surtout terrestre qui en est le

principal consommateur. Les voitures, jusqu’à 90% restent encore propulsées par les moteurs

thermiques. Alors qu’ils participent beaucoup à l’augmentation du taux de CO2 dans

l’atmosphère.

En outre, le problème qui se pose de nos jours est que la réserve de ces combustibles

sera épuisée d’ici quelques années.

Ainsi, la dégradation de l’environnement, la baisse de ces réserves incite au

développement de nouvelles technologies de l’énergie. Dans le domaine des énergies

renouvelables, l’énergie solaire parait incontournable à moyen terme compte tenu du potentiel

considérable qu’elle offre et de sa qualité écologique intrinsèque.

Dans la construction automobile, on procède aujourd’hui à des recherches qui

consistent à utiliser l’énergie solaire, les biocarburants pour remplacer les combustibles

fossiles. L’énergie solaire qui est une source inépuisable, est actuellement l’axe de recherche

dans plusieurs grandes écoles.

Dans son application aux véhicules électriques solaires, le problème est de gérer le peu

d’énergie disponible dans la voiture à cause des variations climatiques, du changement

d’itinéraire et de l’état des routes.

Le but de ce travail est donc d’élaborer un formalisme de modélisation énergétique de

la voiture solaire dans sa totalité au moyen du graphe de lien afin d’avoir une meilleure

gestion de l’énergie du véhicule.

Le plan d’étude adopté sera donc la suivante :

Chapitre 1 : Le transport et l’énergie au service du développement durable.

Chapitre 2 : Généralités sur les voitures solaires.

Chapitre 3 : Dimensionnement de la voiture solaire.

Chapitre 4 : Etude de la gestion d’énergie de la voiture solaire

Chapitre 5 : Modélisation en graphe de lien ou Bond Graph. de la voiture solaire

Chapitre 6 : Evaluation économique.

Chapitre 7 : Impacts environnementaux.

- 1 -

____________________________________________________________________________Introduction

- 2 -

____________________________________________Le transport et l’énergie au service du développement durable

CHAPITRE ILE TRANSPORT ET L’ENERGIE AU SERVICE DU

DEVELOPPEMENT DURABLEI.1 Problématique : anticipation à la fin du pétrole. [1]

Durant les dernières décennies, il est question sur les réserves limitées en énergie fossiles

(pétrole , gaz naturel , charbon ) , et des incertitudes liées à leur approvisionnement . Ces

énergies fossiles sont pour la plupart des pays industrialisés , un facteur de dépendance

énergétique important .Les tensions au moyen orient , les problèmes connus avec le

Venezuela ,ou au Soudan ne font que renforcer la nécessité de trouver une nouvelle source

d’énergie plus fiable .De nos jours , le monde est passé à l’univers de plus de 60 dollars le

baril mettant un bémol à l’assurance d’une énergie bon marchée.Actuellement , les

chercheurs encouragent de plus en plus l’usage des alternatives du petrole comme une

solution à terme dans le secteur du transport .Il est essentiel de favoriser l’entrée de véhicule

a faible consommation et la réduction de l’émission des gaz à effet de serre dès aujourd’hui et

de maintenir des efforts à la recherche d’une stratégie énergétique , pour rendre service des

objectifs pour le développement .

Comme alternatives à l’utilisation du pétrole comme combustibles, on retrouve le couplage

entre moteur thermique et moteur electrique dans les voitures hybrides, l’utilisation des piles à

Hydrogène et les voitures solaires .Nous proposons d’étudier ces différentes alternatives au

petrole dans le secteur transport pour pouvoir arriver à faire une comparaison.

I .1 . 1 La consommation actuelle en pétrole.

On estime à 1 à 1.2milles de milliards de baril les réserves de pétrole dites prouvées, 150

milliard de tonnes, ou encore comme on le vient de le dire une production d’une vingtaine

d’années au rythme actuel .La consommation du pétrole double en environ 30 ans (la

diminution et stagnation sont dues au récession des années 70 et 80).


Figure I .1 Consommation mondiale en pétrole 1965-2003(Giga barils

I.1 .2 Indicateurs locaux :[2]

Pour le cas de Madagascar, le marché (pétrolier et GPL) est de 560 kTep par an

(2004).La consommation de celui ci se reparti comme suit :

• 285 kT, soit 51% des ressources importées sont destinés aux applications transport et énergie domestique.

• 200 kT, soit 35% des ressources importées sont utilisés par les consommateurs industriels.

• 12% des ressources importées sont utilisées par la JIRAMA pour la production d’électricité.

I. 1 3 Consommation en pétrole dans le futur

Le problème de la consommation du pétrole dans le futur tourne autour de deux facteurs : la

population et l’augmentation de la consommation des pays en développement un tableau de

recensement des USA montre que la population devrait croître de façon continue durant les

premières moitiés de ce siècle.


Plus de personnes signifie une demande accrue de carburant, énergie, plastique et nourritures.

Durant les dix années entre 2002 et 2012, la population mondiale devrait croître de 6,3

milliards à 6,6milliards, 12% de plus devront être nourris, logées et fournis en énergies. Avec

la population, l’autre facteur de consommation est l’utilisation croissante du pétrole par les

pays en développement – pays qui sont jusqu’à présent que peu contribués à la

consommation. Ainsi le développement de la Chine est en train de générer une consommation

massive .On peut le vérifier graphiquement dans le suivant graphique de comparaison de la

consommation dans les 40 dernières années. [3]

Figure I.2 Comparaison de la consommation en petrole dans les 40 dernières années

I .1. 4 Alternatives a la consommation du petrole : [3] [4]

I.1.4 .1Consommation mondiale par type d’énergie

Les changements du prix du pétrole ont une importance majeure dans l’histoire mondiale

récente.

La hausse des prix permettra d’exploiter les gisements, qui ne sont pas rentables pour l’instant

et ils stimuleront la recherche dans des sources d’énergies alternatives. Le suivant graphique

montre à quel point le monde est dépendant de l’énergie fossile pour la production d’énergie ,

plus de 80%.Le graphique montre aussi que le renouvelable contribue peu pour une faible

part à cette production.


Figure I.3 Consommation mondiale par type d’énergie I.1.4.2 Contexte énergétique à Madagascar [5]

A Madagascar, c’est le bois de feu qui reste le principal source d’énergie avec une part à plus

de 68% .Cette quantité est évaluée à 2273Ktep soit 12 000 000 ha qui est consommée pour la

cuisson des combustibles ligneux.

Consommation d'énergie par source

Electricité; 2%

Produits pétroliers; 17%

Biomasse; 2%

Bois de feu; 68%

Charbon de bois; 10%

Charbon minéral; 1%

Figure I.4 : Consommation national par type d’énergie I .1. 5 La consommation d’énergie dans le secteur du transport

I.1.5.1 Niveau mondial [6]

Le pétrole reste l’énergie primaire la plus consommée dans le monde avec une part de 36%en

2002.Notament la demande dans le secteur du transport a connu une évidente explosion dans

le siècle dernier .Le secteur du transport apparaît clairement comme le secteur d’activité

principale en matière d’utilisation du produit pétrolier avec une part d’à peu près 50%.Ce

sont principalement les pays riches , notamment les Etats-Unis , l’Europe des 15 le Japon qui


jouent un rôle déterminant dans le secteur du transport .Cette croissance est principalement

attribuée au transport routier et plus récemment au transport aérien.

Figure I.5 Consommation mondiale d’énergie par secteur

Le transport terrestre tient ainsi largement le haut du pavé avec 50% de la consommation

mondiale de pétrole.

Ainsi le transport routier domine largement le bilan avec une part de 96% en 2000 aux Etats-

Unis, Japon, Europe des 15. Un budget des foyers de 13,2% consacrée au transport, une

croissance du PIB, mais aussi des améliorations considérables en matière d’infrastructure et

de technologie, ont induit à un accroissement du taux d’équipement du véhicule par habitant.

Notamment, le parc mondial de véhicules a plus que triplé en trente ans .Ainsi le parc mondial

de véhicule particulier compte plus de 600 millions de véhicules dont les 64% se situent dans

les régions précitées .Alors que le taux de motorisation (nombre de voitures pour 1000

habitants) les pays occidentaux continuent à progresser depuis 1990. Il explose dans les pays

en voie de développement , en particulier en Chine et en Inde .Le taux de motorisation des

Chinois a ainsi triplé entre 1990 et 2003 et celui de l’Inde aussi de 1985 et 2002 .Certes, ces

taux de motorisations restent faibles par rapport à ceux des pays occidentaux (15 voitures

/1000 habitants en Chine en 2003 contre 600 en France ou même 800 aux USA) .Mais ils sont

en très fortes progression et portent sur les deux pays les plus peuplés de la planète .On

estime à 30 millions le nombre de chinois qui ont la possibilité d’acheter une voiture

aujourd’hui.


. Figure I.6 Evolution du parc mondial de véhicule de 1940 et 2003[12]

I.1.5.2 Cas de Madagascar :

Comme notre pays est encore pauvre, le taux de motorisation reste encore faible. Cependant,

le secteur transport domine largement la part de consommation de pétrole. A Madagascar, ce

sont surtout les voitures d’occasions qu’on trouve dans les rues des grandes villes. Ces

voitures prennent aussi un grand rôle dans le transport en commun. Les infrastructures comme

les trains électriques TGV, n’existent pas encore. Le secteur du transport à Madagascar

dépend donc à 100% du pétrole.

Il est alors essentiel de favoriser :

- l’utilisation de véhicules à faible consommation,

- la réduction de l’émission de gaz à effet de serre par les véhicules.

Certains véhicules ou technologies alternatifs, reconnues pour leur performances

environnementales sont déjà disponibles à l’heure actuelle comme les voitures hybrides,

électrique, ou solaires mais leur introduction sur le marché reste faible par manque de

compétitivité, leur coût élevé et/ou l’absence de réseaux de distribution suffisant.

Nous proposons donc les différentes alternatives au pétrole dans le domaine du secteur du

transport routier afin de pouvoir arriver à faire une comparaison entre elles.

Ces voitures sont surtout :

Les voitures a moteur diesel utilisant le biocarburant

Les voitures hybrides

Les voitures à piles combustibles

Les voitures solaires


I.2 Les tendances actuelles dans la construction automobiles

I.2.1 Les voitures diesel utilisant les biocarburants [7]

Actuellement, on peut injecter des huiles végétales mélangées avec le gasoil pour alimenter

les voitures diesel. Néanmoins ces moteurs nécessitent quelques modifications.

I . 2 .1.1 Principe de l’obtention des biocarburants :

Les biocarburants sont des carburants d’origines végétales obtenus à partir des traitements

des huiles végétaux et des plantes sucrières .Il existe aujourd’hui deux grands types de

biocarburants : le biodiesel ou esters méthyliques d’huiles végétales (EMHV) destinés aux

moteurs diesel et le Bioéthanol, pour les moteurs à essence. Le schéma suivant résume leurs

processus d’obtention et leurs principales caractéristiques.

Figure I.7 Biocarburant et du bioéthanol I .2. 1.2 La consommation de biocarburants au niveau mondial :

Les principaux consommateurs en biocarburants sont le Brésil, les USA (surtout le

Bioéthanol) et dans une moindre mesure l’Europe (plutôt du biodiesel). La figure suivant

montre les niveaux de production mondiale en biocarburants.


Figure I.8 Volume de production du biocarburant dans le monde

I. 2. 1.3 Les biocarburants à Madagascar :[2]

• A Madagascar, la production de biodiesel se fait à partir de Jatropha, aujourd’hui,

seuls quelques sites expérimentaux sont opérationnels.

• Un hectare de Jatropha produit environ à Madagascar 2 tonnes de graines

convertibles en 400 kg de biodiesel.

• Le potentiel théorique atteindrait 100 000 t/an de biodiesel mais des études

raisonnables envisagent un potentiel de 8000 t/an, idéalement destiné à l’exportation.

• Le biodiesel produit a le même pouvoir calorifique que le diesel, celui de l’huile est

légèrement inférieur.

• Un hectare de culture de Jatropha peut ainsi rapporter entre 200 000 et 300 000

Ar/an.

• Le coût de production de l’huile aujourd’hui est d’environ 200 Ar/litre, celui du

biodiesel entre 800 et 1200 Ar/litre, soit un coût équivalent en production

d’électricité de 240 à 360 Ar/kWh utile sur la base des rendements moyens observés.

• On estime que 25ha de culture de Jatropha permettent de couvrir les besoins

énergétiques de base de 50 ménages ruraux.

I. 2. 1.4 Pollution sur les rejets.

Les biocarburants ont été considéré comme une nouvelle source d’énergie car ils représentent

une alternative valable à l’hégémonie pétrolière et aussi un avantage environnemental. En

1998, on considérait par exemple que chaque tonne de pétrole consommé émettait 2,8T de

CO2 dans l’atmosphère et que les 15 pays de l’Union Européenne en libéraient 3300T en une

année .En utilisant des biocarburants, les émissions de gaz à effet de serre de type CO2

seraient moins abondantes. Mais, il y aurait des autres inconvénients dus à des pollutions des

sols et des eaux induits par la culture des matières premières agricoles.

Par rapport au gazole ,L’IFP estime que l’utilisation d’un produit pur dérivés des huiles

permettrait de réduire de l’ordre de 70% le taux des émissions contribuant à l’effet de serre

relativement à l’essence , l’utilisation de l’éthanol permettra de réduire le taux de CO2 à 75%

L’histogramme suivant nous montre les gains des biocarburants sur l’émission des GES.


Figure I.9 Indicateur à effet de serre pour la filière bioéthanol [8]Ces indicateurs sont exprimés en grammes qui sont l’équivalent de CO2 par kilogrammes

I. 2.2 Les voitures hybrides [9]

Les voitures hybrides ont été crées comme une réponse de l’industrie automobile envers les

contraintes qui l’affectent, c’est-à-dire, la décroissance du pétrole et l’émission de CO2 dans

l’atmosphère.

En faite, son existence n’est seulement du à ces deux contraintes, étant donné l’intérêt

croissant des usagers du transport routier privés pour le soucis de l’environnement qui en

dérive.

Les voitures hybrides sont celles qui combinent deux ou plusieurs sources d’énergie pour

fonctionner .principalement le plus connu la combinaison de l’essence avec l’électricité .La

raison de cette focalisation est le grand développement qu’il y a eu ces dernières années sur ce

sujet .L’industrie automobile comme Toyota, Honda ou Ford ont fortement investis dans ce

domaine pour essayer de le maîtriser le plus tôt possible.


I. 2 .2.1 Caractéristiques des voitures hybrides

Figure I.10 Schéma des composants d’une voiture hybride

I .2.2.2 Pollution par les rejets

La technologie hybride présente de clairs avantages par rapport au technologie de combustion

.Ce fait est particulièrement notable pour les hybrides séries étant donné qu’à basse vitesse ils

roulent en utilisant seulement le moteur électrique .Avec les voitures hybrides comme le

Toyota Prius, le taux l’émission de CO2 réduit de 30 à 50%.Mais il y a quand même des

produits de la combustion à essence qui nuisent la santé.

I .2.3 Les voitures à piles hydrogène [10]

I .2.3.1 Les piles à hydrogène ou à combustible

Le pile à hydrogène permet directement de convertir directement de l’énergie chimique en

énergie électrique .A la différence des moyens traditionnels de production d’énergie son

rendement ne dépend pas du cycle de Carnot .Par ailleurs le pile est fourni en continue .A la

différence des piles traditionnels .on peut ainsi obtenir un courant de façon continue .Par

ailleurs la meilleure façon d’alimenter les piles à combustible est l’hydrogène.


Figure I.11 Schéma de principe de la pile à hydrogène

On distingue trois types de piles à combustible :

Les piles à combustibles embarqués (voitures,…).

Les piles à combustible stationnaire.

Les piles combustibles miniaturisés ou portables.

I .2.3.2 Impacts sur l’environnement

De la production à la consommation, la pollution émise lors de l’utilisation du méthanol est

de 97% moins importante par rapport à l’essence Tel est le cas des véhicules à méthanol, ils

ne produisent presque aucune émission de gaz a effet de serre, de monoxyde de carbone,

d’oxyde d’azote, et d’autres gaz nocifs.

I.3 Comparaison des alternatives [11]

Tableau I.1 comparaison des différentes voitures

TABLEAU CPMARATIF

Avantages Inconvénients

Piles à combustible

• Rendements énergétique «élevé

• Faibles émissions sonores • Peu d’émission de gaz à

effets de serres• Elles sont de constructions

modulaires• Diverses températures de

fonctionnement• Pas de parties rotatives

o Le coût o Le poids et le volume

o La durée de vie

o L’intégration thermique

o Le carburant (production transport, distribution et stockage

Voitures hybrides

• Production des émissions (50%)

• Technologies développée• Profite de l’infrastructure

existant• Bonnes prestations

o Encore basé sur le pétrole

o Pertes (10%) de rendement à basse température

Voitures solaires

• Pas de production gazeuse nocive

• Pas besoin de changement d’huile ou d’être réalimentée

• Moteur plus efficient et

• Coût (plus de 200000 dollars)• Besoin de matériaux très légers

et produits en petites quantités • Nuits et jours nuageux pas de

soleil


silencieux• Pas de vibrations dans le

moteur • Plus petites et plus légères

• Réduction de vitesse en cas de faible ensoleillement

• Cellules solaires pas très efficientes

Biocarburants • -75% d’émission de gaz à effets de serre

• Pour une quantité d’énergie obtenue, le processus de production de biocarburants consomme moins d’énergie

• Alternatives a pétrole, aussi pour les pays moins développés comme le Brésil et peut être aussi pour Madagascar

• Pas de modifications des moteurs thermiques

o Acidification de l’atmosphère et eutrophisation de l’eau

o Besoin d’une forte réglementation des surfaces cultivables

o Prix plus élevé que les carburants fossiles

I.4 Conclusion :

C’est une évidence, notre société repose sur les énergies fossiles et la consommation de

carburant devient de plus en plus forte, notamment dans les pays émergents comme la Chine,

le Brésil et l’Inde. C’est le secteur du transport qui joue un rôle prépondérant dans la hausse

de cette consommation avec un taux de 50%, valable aussi pour Madagascar. C’est pour cette

raison qu’aujourd’hui plus que jamais il existe un important moyen pour trouver des

alternatives qui pourront vraiment substituer, ou au moins réduire la consommation de pétrole

du secteur transport.

Cette partie nous a mené à une étude de plusieurs voitures envisagées comme alternatives aux

voitures traditionnelles. Mais dans le cas de notre étude, nous allons nous intéresser plus

spécialement à l’alternative voiture solaire et d’analyser son comportement.


CHAPITRE II GENERALITES SUR

LES VOITURES SOLAIRES

II. 1 Historique

La première voiture, propulsée par l’électricité fournie par les cellules photovoltaïques, est

apparue en 1981 et pouvait atteindre 30km/h .La première compétition, World Solar

Challenge en Australie , a eu lieu en 1987.Les véhicules y atteignaient déjà une vitesse de

85km/h .Bien que déjà en 1989, on comptait 200 immatriculation de voiture solaire en Suisse

.Ces voitures ne sortent guère que dans des compétition internationales en Australie et aux

USA ;

II.2 Voitures solaires :

La voiture solaire peut être comme une alternative aux voitures traditionnelles qui utilisent les

combustibles dérivés du pétrole.

II.2.1 Principe de fonctionnement :

Son fonctionnement se base sur l’absorption de la chaleur produite par le soleil, sa rétention et

son utilisation comme source d’énergie pour le mouvement de la voiture.


Figure II.1 Synoptique de la voiture solaire [13]

Les panneaux solaires fournissent de l’énergie au Maximum Power Point Tracker (MPPT) qui

permet de tirer le maximum de puissance des panneaux et d’envoyer l’énergie vers le moteur

ou la batterie. La puissance venant des panneaux dépend de l’éclairement et de la température.

Le contrôleur moteur quand a lui se charge de piloter le moteur en fonction de la commande.

Il dialogue aussi avec le MPPT.

Le moteur fournit ensuite un couple mécanique à la transmission puis celle-ci aux roues

motrices. La transmission peut dans certains cas être omise et le moteur transmet alors le

couple directement aux roues dans le cas où on utilise un moteur asynchrone.

II.2.2 Les différents types de voitures solaires :

II.2.2.1Voiture solaire de HONDA : DREAM II [14]

Le véhicule solaire de Honda est emblématique des efforts entrepris dans le domaine des

énergies alternatives. Construit en matière plastique renforcée de fibres de carbone, il est

recouvert de 47000 cellules photovoltaïques en silicium monocristallin fabriquées par

l’université australienne du New South Wales.

Les batteries sont en argent zingué .En 1996 elle a remporté le quatrième world Challenge d’

Australie. Il a couvert la distance de 3010 km du parcours en 33heures et 33minutes .Ce qui

correspond à une vitesse moyenne record de 86.76km/h avec une vitesse de pointe de

139,06km/heure .Il peut transporter 2 passagers, son poids total passagers compris est de

300kg .


Cette voiture est dotée d’un système d’acquisition qui retire en permanence les données

vitales du véhicule.

Figure II .2 .DREAM II sur le circuit Australien

II.2.2.2 Véhicule solaire solelhada :[15]

Figure II.3 Solelhada – LEEICette voiture constitue un support original de travaux de recherche au LEEI de

L’ENSEEIHT ; Les caractéristiques de cette voiture sont données dans le tableau ci après :

Moteur Moteur synchrone à aimant permanant 5kWBatterie Lithium ion de 5kWhOnduleur IGBTRoues Une a l’avant et deux à l’arrière Cellule solaire Monocristalline 16.5%Longueur 6mLargeur 2mHauteur 1mPoids total 320kgRésistance au roulement 0.005

Tableau II.1 Caractéristiques de solelhada

La carrosserie de cette voiture est divisée en deux parties :


L’aile : conçue pour soutenir les plaques solaires. Il est rigide pour éviter la cassure des

cellules solaire qui sont essentiellement, des cristaux .Sa deuxième fonction est de

promouvoir un écoulement d’air efficace autour du véhicule

Le fuselage : qui sert de points d’attache à la suspension avant et arrière, de soutien de

poids du pilote, des batteries et les autres composants électroniques .Il est construit avec

des fibres de carbones, de kevlar et de nomex.

II.2.2.3 Le véhicule solaire PHOTON III [16]

Figure II.4 PHOTON IIICette voiture a été réalisée à l’Ecole de Mécanique de Genève ; Elle possède les

caractéristiques techniques suivantes :

Moteur : Synchrone triphasé MAVILORSE1128 de 4Kw Variateur

INFRANOR SMT-BD1/a ñ220/60. Ce variateur numérique à commande PWM (Power Wilde

Modulation) sinusoïdale est destiné à piloter des moteurs sans balai équipés d’un capteur de

type résolveur transmetteur.

Photopile :

• au silicium monocristallin AEG Dondermod MQ10/18/K • Nombre : 27 modules en série de 18 cellules + 1 module pour la partie commande • Caractéristique d’un module :

• Tension : 6 à 8V • Puissance crête : 20Wc (1000W/m2) • Poids : 430g


Au total, 27 modules de 540Wc à 25°C, 480Wc à 50°C

Batterie : 18au plomb de 12V

Poids total 300kg

Dimensions : 4m*1.65m*1.35m

Performances : 120km d’autonomie à 40km/h sans ensoleillement ; avec une pente maximale

de 12%.

II.2.2.4 La voiture solaire de Marvin JOHNSON et Delphine BRAV [17]

. La propulsion principale sera la motorisation électrique, avec l'utilisation du pédalier quand

on ne dispose plus d'assez d'énergie électrique. Des panneaux solaires et une éolienne

rechargent les batteries quand l'ensoleillement et/ou la force du vent le permettent .Le

véhicule est construit avec un maximum de pièces standard et facilement localisables dans la

plupart des pays. L'accent est mis sur sa simplicité de construction fiabilité.

Les caractéristiques de la voiture sont les suivantes :Véhicule à propulsion humaine electrique et solaire.

- Maintenance aisée, emploi de matériel standard et facilement trouvable

- Chargeur de batterie 110/220V incorporé (utilisation dans les campings)

- Emploi de sources d'énergie complémentaires, ex. éolienne, voile.

Quadricycle léger biplace de construction simplifiée.

Figure II.5 Ecolotour

II.2.2.5 La voiture solaire SCV 4 de KYOCERA [18]

Avec un poids de 695 kg et une longueur de 3.3m, la SCV 4 a une autonomie de 210km à une

vitesse moyenne de 40km/heure .Elle peut atteindre une vitesse de 130km/heure et Pourrait

avoir une autonomie de 250km pendant une journée très ensoleillée.

La particularité de cette voiture est son emploi citadin, mais elle est également adaptée aux

grandes superficies comme les aéroports, les hôpitaux, les grandes entreprises.


II. 3 Les éléments importants d’une voiture solaire.

Les principaux organes d’un véhicule solaire sont :

Les panneaux solaires

Les batteries

Le moteur

Le contrôleur

Le MPPT

II. 3. 1 Les panneaux solaires. [18] [19]

L’énergie solaire est collectée à travers les panneaux solaires, qui sont construits à partir de

cellules solaires .Chaque cellule est un dispositif générateur d’électricité.

II . 3. 1. 1 Principe de fonctionnement des cellules photovoltaïques.

La condition générale parmi laquelle la cellule fonctionne peut être expliquée par ces trois

étapes :

• La lumière du soleil touche la cellule solaire. • Quand la lumière solaire touche la cellule, les électrons sautent d’un état de

moindre énergie pour un autre état plus énergétique.

• Les connecteurs électriques présent dans la cellule solaire capturent ces

électrons et les utilisent comme électricité.

Figure II.6 Cellule solaire : fonctionnement.Plus spécifiquement , les cellules photovoltaïques ,sont composées de matériaux semi

conducteurs qui absorbent l’énergie lumineuse et la transforme en énergie électrique .Le

principe de fonctionnement de cette cellule fait appel aux propriétés du rayonnement et celle

des semi conducteurs.

II. 3. 1 .2 Le dopage


La méthode utilisée pour créer cet champ est celle du dopage par impuretés .Deux types de

dopages sont possibles :

-Le dopage de type N (négatif) consiste a introduire dans la structure cristalline semi

conductrice des atomes étrangers qui ont la propriété de donner chacun des électrons

excédentaires (charge négatives), libre de se mouvoir dans le cristal (c’est le cas du silicium P

dans le silicium Si .Dans un matériau de type n, on augmente fortement la concentration en

électron libres.

Le dopage de type P (positif) utilise des atomes dont l’insertion dans le réseau

cristallin donnera un trou excédentaire .Le bore B est le dopant le plus couramment utilisé

pour le silicium.

Figure II.7 Cellule solaire -dopageLorsqu’on effectue des dopages de types différents de part et d’autre de la cellule, il en résulte

une recombinaison des charges libres, un champ électrique crée par la présence d’ions fixes

positifs et négatifs .Les charges électriques générées par l’absorption du rayonnement

pourront contribuer au courant de la cellule photovoltaïque.

Lorsque l’énergie de la bande de gap augmente, le courant diminue mais la tension est plus

élevée.

II . 3 .1. 3 Rendement des cellules photovoltaïques :

Les photopiles ou cellules photovoltaïques sont caractérisés par leur rendement .C’est le

rapport entre l’énergie electrique qu’elle fournit sur l’énergie qu’elle reçoit sur sa surface.

NeEphVI

EE

tRayonnemen

electrique ==η (2.1)

N : nombre de photon par seconde

e : Energie moyenne des photons[eV]

Eph : puissance lumineuse incidente


Posons K1 : fraction des photons incidents que traversent la surface du cristallin.

K2 : fraction des photons qui libèrent l’électrovalence tels que les porteurs minoritaires

traversent la jonction.

1 2.. ..ph cc

V IK KE I

η = (2.2)

( )max 1 2. . .m n

m T ph

V VK KV V E

η =+ (2.3)

VT : potentiel thermique .K Te

Les photopiles les plus couramment utilisés dans le domaine photovoltaïque sont :

Silicium monocristallin 24% ; silicium poly cristallin 18% ; silicium amorphe 12.7% ;

arséniure de gallium 25.1% ; multi jonctions 30.3%.

II. 3. 1.4 Modèle mathématique d’une cellule solaire

Figure II.8 Schéma electrique d’une cellule solaire A partir de ce schéma, on peut définir le premier modèle de la cellule photovoltaïque.

Avec :

le générateur de courant, produisant un courant Iph généré par la lumière reçue par la

cellule, proportionnel à la quantité de lumière reçue.

une diode qui représente le fonctionnement de la jonction ¨PN et qui absorbe le courant Id

(courant de polarisation de la jonction PN).

une résistance shunt en parallèle (Rsh) modélise les courants de fuites dus aux effets de

bord de la jonction PN.

une résistance en série Rs modélise les pertes au contact et connexions .Elle est

normalement très petite.


La caractéristique tension courant est donnée par la relation :

I = Iph – ID – IR (2.4)

Avec :

.. .[ ( 298) 1]1000ph cc T

GI I I Tδ= − + (2.5)

.( . ). exp 1. .

sD s

e V R II Ik Tη

+= −

(2.6)

3. .exp.

gS

EI K T

k T−

=

(2.7)

. sR

sh

V I RIR

+= (2.8)

On a donc l’équation complexe pour modéliser une cellule réelle :

( ) 3 ..( . ). .[ . 298 1] . .exp . exp 1100 . .

SCC T

Sh

V I RG Eg e V Rs II I I T K Tk T k T R

δη

+− + = − + − − − (2.9)

Icc : Courant de court circuit de la cellule photovoltaïque dans les conditions standards et

optimales : G=1000W/m² et T 25°C

G : éclairement

T : température

I Tδ : Variation court circuit par rapport a la température [1/K].

e : charge de l’électron [eV].

k : constante de Boltzmann 12310380.1 −−= JKk .

η : Constante dépendant du matériau semi conducteur.

Is : courant inverse de saturation de la diode, il est dépendant de la température

K : constante thermique du fabricant ]²

[ 3kcma

Eg : énergie de gap

V : tension

II. 4 Le parc batterie


Le décalage entre la demande et l’apport énergétique nécessite un stockage de l’électricité.

.Les batteries les plus couramment utilisées dans les systèmes photovoltaïques sont les

batteries accumulateurs.

II . 4.1 Principe de fonctionnement des batteries accumulateurs [19] [20] [31]

Un accumulateur fonctionne comme une pile lorsqu’on le décharge pour produire de

l’énergie électrique .Celui ci provient de l’énergie chimique des réactifs .Mais quand ces

réactifs sont épuisés , on peut faire passer le courant dans le sens inverse à partir d’une source

extérieur d’électricité. C’est alors la recharge de l’accumulateur au cours de laquelle l’énergie

électrique régénère les réactifs.

Contrairement aux piles, l’accumulateur peut alors effectuer la conversion

électrochimique d’énergie dans les deux sens.

Charge décharge

Electricité Electricité

Figure II.9 Fonctionnement d’une batterieL’accumulateur hydrogène oxygène illustre de manière simple le fonctionnement

d’un accumulateur.

II.4..2Les accumulateurs au plomb :

Ces accumulateurs exploitent une oxydoréduction du plomb qui sont constitués de deux

électrodes qui plongent dans l’acide qui réalise la conduction ionique entre elles et participe à

la réaction .Chacune des électrodes est constituée d’un élément apparaissant sous sa forme

réduite et sous sa forme oxydée .

Cathode forme oxydée PbO2et forme réduite PbSO4.

Anode forme oxydée PbSO4 et forme réduite Pb.

Le schéma suivant montre la structure technologique d’une batterie au plomb :

Produits

Réactifs


Figure II.10 Structure de la batterie a plomb

II. 4.3 Réactions chimiques et équations régissant la batterie au plomb

Les réactions d’oxydoréductions entre les deux couples redox en jeu pour une dissociation

totale sont :

PbO2 : électrode pole positif

Pb : électrode négatif tant en charge qu’en décharge

La conversion électrochimique dans les acculturateurs est donnée par la relation :

(2.10)

Avec :

J1 : le débit molaire

G∆ ° : Énergie récupérable en sortie de l’accumulateur

E : tension associée à G∆ °

(2.11)


n : nombre de moles d’électrons échangées.

F : constante de Faraday 96485C.mol-1

II .4.4 Caractéristiques des batteries accumulateurs au Plomb :

Toutes les batteries sont caractérisées par leur densité massique d’énergie .On les compare

donc entre elles par la quantité d’énergie qu’elles peuvent donner pour un poids donné mais

aussi d’autres paramètres décrits sur le tableau suivant :

Tableau II.2 Caractéristiques des accumulateurs au plomb

II. 5 Le moteur electrique :

Dans le domaine du transport, ce sont les moteurs à courant continu qui sont les plus utilisés

(train électrique et voiture électrique).

II .5.1 Définition.

Un moteur à courant continu est formé d’un induit tournant (rotor) et d’un inducteur ou

excitation qui est fixe.

Le moteur dispose de 2p pôles et N conducteurs repartis dans 2a voies d’enroulement.

II .5.2 Expression de la fem [21]

L’augmentation du nombre de spire de pôles diminue le pas polaire , ce qui permet de créer

les f e m élémentaires sur une fraction de tour du moteur . En plaçant toutes ces f e m par pôle

en série On augmente la f e m totale d’un facteur 2p.Mais les conducteurs organisés en voies


d’enroulement sont mis en parallèles .Cela diminue la f e m d’un facteur égal au nombre de

voies, soit 2a.On obtient la relation :

2 . .2 2

rpE Na π

Ω= Φ (2.11)

Φ : Flux utile en charge

N : vitesse en tour par seconde

D’une manière plus condensée, on exprime la f e m du MCC par la relation :

Ω= RRKE (2.12)

Kr : constante de la f e m de la MCC

L’équation de la tension peut alors s’écrire :

dtdiLRIEU ++= (2.13)

R : résistance totale du circuit parcouru par I

II.5 3 Expression du couple électromagnétique :

Chaque conducteur est le siège d’un effort créant un couple sur l’arbre. Leur somme génère le

couple électromagnétiqueCem .

Suivant la relation issue de la loi de Laplace, le couple dépend du flux sous un pôle, du

courant total d’induit, et du nombre de conducteurs .Le nombre de paire de pole augmente la

répartition des phénomènes, donc, du couple, tandis que la mise en parallèle des conducteurs

dans les voies d’enroulement y diminue le courant donc le couple .D’ou la relation :

2 1. . .2 2em

p Na

φπ

Γ = (2.14)

Le courant délivré par la machine dépend :

des paramètres de construction, purement technologique (p, a, et N).

du paramètre de fonctionnement interne, le flux sous un pôle Φ .

du paramètre de fonctionnement externe, le courant d’induit I.

On exprime alors l’expression du couple électromagnétique de la MCC par la relation :

.em cC K I= (2.15)

Kc : constante de couple de la machine.


Et le couple utile sur l’arbre peut alors s’écrire :

Ω+−= /)( PPCC fermecemu (2.16)

Pfer et Pmec sont successivement les pertes magnétiques et les pertes mécaniques qui sont

toujours constantes.

II.5.4 Bilan de puissance :

Avec les pertes par effets joules dans l’induit ces pertes représentent la puissance perdue par

le moteur .Le bilan de puissance d’un moteur à courant continu est décrit par la figure

suivante :

Figure II.11 Bilan de puissance II .5 .5 La conversion d’énergie :

La puissance electrique dans l’induit de la MCC s’exprime par

Pe= E.I (2.17)

Sur le plan mécanique :

Ω= remm CP (2.18)

Symbole :

Le symbole du moteur rappelle les éléments de sa structure : un cercle représentant le

rotor tandis que les connexions d’induit ont lieu à travers des balais.

Figure II.12 MCC à enroulement inducteur


Dans notre étude nous avons choisi le moteur à excitation série car il présente

beaucoup d’avantages :

son couple de démarrage est beaucoup plus élevé.

le courant qui circule dans l’induit et l’inducteur est le même, alors le réglage du moteur

série est plus facile par rapport aux autres MCC.

le moteur à excitation série est plus utilisé en traction parce qu’il n’a pas de convertisseur.

II.5.6 Caractéristiques du moteur série :

Pour le moteur série, le bobinage inducteur est connecté en série avec le bobinage induit

d’où son nom .L’inversion du sens de rotation est obtenue par inversion des polarités de

l’induit et de l’inducteur .Le schéma de branchement est montré par le schéma suivant :

Figure II.13 Schéma de branchement d’un moteur série

II.5.7 Caractéristique mécanique d’un moteur série

Dans un tel moteur, il est possible de régler le flux maximal avant la fermeture du circuit

d’induit .Son démarrage est obtenu par le branchement sur le réseau et une élimination

progressive des résistances du rhéostat de démarrage .Après l’arrêt, aucune mesure en vue

d’absorber l’énergie emmagasinée dans l’enroulement d’excitation ne s’impose parce que le

nombre de spires de cet enroulement est peu élevé.

Ces caractéristiques sont représentées par les courbes suivantes :


Figure II.14 Caractéristique du couple moteur

Avec :

C : couple utile ;I :courant d’induit ;P : puissance utile ;R : rendement ;N : vitesse de

rotation.

II.5.8 Le contrôleur moteur. [13]

Le contrôleur moteur surveille la quantité d’électricité que nécessite le moteur. Il permet aussi

d’ajuster de nombreux paramètres dont le filtrage de l’accélérateur. Etant donné la légèreté du

véhicule, ceci permet de limiter la vitesse de variation de la pédale.

Exceptionnellement pour les voitures solaires à moteur roue synchrone, il faut utiliser une

commande vectorielle qui nécessite l’utilisation d’un calculateur en temps réel tel que le DSP

ou un microprocesseur rapide. Une carte est donc dédiée à la communication et le contrôleur.

II.6 Le Maximum Power Point Tracker [13]

C’est un système d’optimisation de l’énergie solaire .Il gère la puissance produite par la

matrice solaire .La matrice solaire est divisée en sections ; chacune des sections est reliée à un

MPPT. La quantité de MPPT varie proportionnellement en fonction de la courbure de la

matrice solaire puisque l’exposition au soleil variera selon la voiture.

Son rendement doit être le maximum possible .De plus il doit s’adapter aux variations des

conditions atmosphériques et la demande en énergie du moteur.

II.7 Conclusion :

Un générateur photovoltaïque, une batterie accumulateur et un moteur electrique constituent

donc les éléments importants d’une voiture solaire .Son fonctionnement est basé sur


l’absorption d’énergie produite par le soleil. Cette chaleur transformée en énergie electrique

permet d’alimenter le moteur electrique par l’intermédiaire d’une commande à MPPT qui

renvoi l’énergie vers le moteur ou les batteries. Avec un prototype simple comme ecolotour,

nous choisirons moteur à courant continue et un accumulateur au plomb

_______________________________________________________ Dimensionnement de la voiture solaire

CHAPITRE IIIDIMENSIONNEMENT

DE LA VOITURE SOLAIRE

III.1But

La création d’un prototype de voiture solaire consiste à dimensionner chaque élément qui la

compose. Déterminer les caractéristiques du générateur solaire, du moteur, de la batterie .Au

terme, nous établirons une simulation afin de gérer l’énergie disponible de la voiture en

fonction du type de route.

III.2 Dimensionnement du moteur

III.2.1 Les forces agissant sur la voiture [13]

La dynamique du véhicule est caractérisée par l’équation des efforts et par l’équation de la

Dynamique suivante :

tanresul te roulement aerodynamique pesanteurF F F F= + +uuuuuuur uuuuuuur uuuuuuuuuuur uuuuuuur

(3.1)

: Figure III .1 Etude dynamique d’un véhicule

D’après le principe de l’action et de la réaction ; pour qu’il y ait mouvement et accélération, il

faut que le couple délivré par le moteur soit au moins égal au couple résistant à l’avancement

du véhicule .Le couple comprenne trois composants :

- la résistance due a la pénétration dans l’air.


- la résistance au roulement des pneus.

- l’angle d’inclinaison de la route.

III.2.2 Le couple du au frottement de l’air

La force aérodynamique permet dé tenir compte des frottements de l’air sur le véhicule.

Elle dépend de la vitesse du véhicule et à la vitesse du vent frontale2

11/ 2 . . .aerodynamique xF S C V uρ= −ur ur

(3.2)

Cette force est déterminée expérimentalement à partir de différents essais avec des profils de

vent connus

D’où le couple correspondant :

3 21/ 2. . . . .a xC C S Rρ ϖ= (3.3)

Avec :

R : Rayon de la roue [m]

V : Vitesse de la voiture [m/s]

S : surface frontale [m²]ω : Vitesse angulaire [rd/s]

ρ : Masse volumique de l’air 0.0129 [ mKg 3/ ]

C x : Coefficient de pénétration dans l’air 0.12 [sans dimension]

III.2.3 Couple du à la résistance au roulement :

La force au roulement représente la résistance au roulement de la roue sur la route qui dépend

de :

R f :coefficient de frottement entre le sol et la roue .Ce coefficient dépend non seulement du

type de pneu utilisé , mais également de la nature de revêtement .

. . .roulement fF R M g R= (3.4)

On peut considérer les forces qui s’exercent sur chacune des roues puis en faire la somme

comme étant le poids.

D’où le couple

. . .r fC R M g R= (3.5)


III.2.4 Couple du à l’inclinaison de la pente :

Seule la composante tangentielle à la route du poids du véhicule va intervenir .Un fichier,

comprenant soit l’altitude, soit la pente de la route à l’instant donné permet de tenir compte de

cette grandeur extérieur.

Avec :

1. .sin( )pesenteurF M g uα= (3.6)

M : masse du véhicule [kg]

g: constante de pesanteur [m/s]α : Angle de la pente [rd]

D’où le couple :

. . .sin( )pC M g R α= (3.7)

III.2.5 Le couple total à exercer

Pour qu’il y ait mouvement, le moteur doit fournir un couple utile au moins égal au couple

total exercer par l’ensemble des forces qui s’opposent à l’avancement.

En utilisant le principe de superposition on tire le couple correspondant qui est la somme des

couples exercés par les forces opposées.

r a pC C C C= + + (3.8)

III.2.6 Couple réelle à exercer. [22]

Soit :

Cm : le couple moteur

Ce : le couple réel à exercer

.( )Ve a p r

t

RC C C Cη

= + + (3.9)

. .( 2 )Ve m t r

t

RJ J J Jη

= + (3.10)

Avec :

rJ : Moment d’inertie de la roue 2.tJ M R= : Moment d’inertie total


m m edJ C Cdt

ω = − (3.11)

III.2.7 La puissance minimale du moteur :

Elle est calculée par la relation suivante en tenant compte des pertes transmissions :

3 1( . . .sin( ) . . . 1/ 2 . . )m f xt

P M g V R M g V C S Vα ρη

= + + (3.12)

III.2.8 Intensité du moteur :

A une vitesse constante, le couple moteur est égal au couple réel à exercer.

.( ).V

a p rt e

RI C C CKη

= + + (3.13)

Ke : constante du couple moteur [N .m/A]

III.2.9Notion de couplage énergie –puissance [20]

Les différents composants de production et de stockage d’énergie electrique presentent des

propriétés et des comportements très différents qui les rendent plus ou moins aptes à délivrer

une puissance electrique plus ou moins grande sur un horizon plus ou moins long .Ces notions

étant relative aux missions assignées, nous définissons les notion de sources d’énergie et de

puissance.

Nous désignons par source d’énergie, une source pouvant délivrer une puissance electrique

donnée sur une durée de même ordre de grandeur que celles des missions typiques que doit

accomplir un système. Elle doit être dimensionnée pour délivrer une puissance de valeur égale

à celle de la puissance nécessaire d’un système.

Nous désignons par source de puissance electrique, une source pouvant délivrer une puissance

electrique donnée sur une durée de temps courte devant celles des missions du système

Ces deux notions sont intimement liées et ne prennent de sens que présentées simultanément

et comparativement.

III.4 Dimensionnement du panneau solaire :


Le générateur solaire peut être vu comme un générateur electrique principal ou source

d’énergie typiquement dimensionnée pour délivrer une puissance de valeur égale à celle de la

puissance moyenne nécessaire de la voiture solaire.

Le dimensionnement du panneau solaire nécessite la détermination de la puissance crête .Il

comprend deux étapes. .

estimation du service minimum à rendre qui correspond à l’énergie minimum utilisée par

le moteur pour la propulsion de la voiture.

L’estimation de la consommation correspondante.

III.4.1 Le module solaire photovoltaïque :

Pour obtenir une puissance suffisante, il est nécessaire de connecter plusieurs cellules entre

elles .L’ensemble des cellules est encapsulé dans des modules étanches qui les protégent des

intempéries.

Dans notre cas les cellules sont montées en séries

II CCcelluleccm = (3.14)

.com cocelluleV nV= (3.15)

max max.m celluleP n P= (3.16)

n : nombre de module photovoltaïque:

Figure III.2 Courbe caractéristique I=f(V) d’un module photovoltaïque. *[5]


III.4.2 la puissance maximale

Le point Pm correspond au puissance maximum donnée par la cellule solaire et c’est à ce

point de fonctionnement que la cellule est utilisée :

VIP maxmaxmax .= (3.17)

III.4.3 La puissance crête du générateur photovoltaïque [18]

C’est la somme de la puissance crête des modules (Wc), elle-même définie aux conditions de

références (G =1000W/m² ; T=25°C), répartition spectrale correspondant à air masse

1.5).Pour la voiture solaire elle est déterminée en fonction du rendement moteur mη .

mc

m

PPη

= (3.18)

III.4.4 Estimation de l’énergie que doit fournir le générateur [5]

C’est l’énergie journalière récoltée par la puissance crête [W/j] .Son expression est donnée

par :

. .j i cE K E P= (3.19)

Ei : éclairement global incident dans le plan des modules

K : cœfficient de pertes (0.65 à 0.7)

III.4.5 Nombre de modules photovoltaïques

C’est le rapport entre la puissance crête du générateur et la puissance unitaire du module :

c

u

PNP

= (3.20)

Pc : puissance crête

Pu : puissance unitaire du module


III.4.6 Poids du parc photovoltaïque : [1]

.( )parcP N Co= (3.21)

Co : le poids d’un module photovoltaïque. (Co =9 kg)

III.5 Dimensionnement du parc batterie [23] [18]

A la différence avec le panneau solaire, le parc batterie est vu comme un générateur

electrique secondaire .Elle est généralement rechargeable en cours de mission de la voiture à

partir du générateur photovoltaïque pour qu’elle puisse être utilisable tout au long du trajet de

la voiture sans être surdimensionnée.

III.5.1 Capacité d’une batterie

Cette grandeur décrit la quantité d’énergie stockée dans l’accumulateur dans la mesure où l’on

connaît la tension. On peut aussi la définir comme la quantité d’énergie qu’elle peut débiter

avant que la tension à ses bornes n’atteigne un seuil au-delà de laquelle elle serait

endommagée .Elle est exprimée en Ampère heure [Ah].

La capacité est associée à un régime de décharge .Le courant de décharge est évalué en

fraction de la capacité exprimée en Ah (exemple : c/10,c/20,c/100).

C/100 signifie qu’une batterie de 100Ah peut fournir un courant de 1A pendant 100 heures.

Son expression est donnée par :

j

p

EC n

D U= (3.22)

Avec

Dp : coefficient de décharge

U : tension du parc batterie (12V, 24V, ou 48V)

Ej : énergie journalière produite par le générateur photovoltaïque.

N : nombre de jour d’autonomie.

III.5.2 Durée de vie de la batterie

La durée de vie d’une batterie est liée au nombre de charge –décharge qui lui est demandé et à

la profondeur de ses cycles .Une batterie déchargée seulement de 10% acceptera 5 fois plus de


cycle qu’une même batterie déchargée de à 50% et 8 fois plus qu’une batterie déchargée de

80%.

.V cD N D= (3.23)

D : décharge de la batterie à chaque cycle, en%de sa capacité

Nc : nombre de cycle de charge – décharge que peut assurer la batterie

Pour une batterie solaire de bonne qualité Dv est de l’ordre de :

10000 pour une batterie à plaques planes, généralement issue de fabrication voisine de

celles des batteries de démarrage pour voiture, avec des plaques plus épaisses pour

améliorer la résistance au cycle, c'est-à-dire 10000 cycle avec une décharge de 10%,

5000 cycles pour une décharge de 20%, 1250 pour une décharge de 80%.

25000 pour une batterie à plaques tubulaires, soit 25000 cycles à 10%de décharge et

plus de 3000 cycles à 80%de décharge.

Nombre de batterie :

bu

CnC

= Cu: capacité unitaire d’une batterie (3.24)

III.5.3 Rendement :

C’est le rapport entre la quantité d’électricité débitée à la décharge Qd et la quantité

d’électricité fournie lors de la charge.

QQ

c

dq

=η (3.25)

Par contre le rendement énergétique prend en compte des tensions respectives en charge et

décharge (70% à 80%).

III.5.4 Auto décharge

Le taux d’auto décharge d’un accumulateur représente la perte moyenne relative par mois

et pour une température donnée.

1 2

1

Q QnQ

τ −= (3.26)

Q1 : capacité avant stockage

Q2 : capacité après stockage


n : durée de stockage en mois

L’auto décharge est la caractéristique interne découlant de la technologie utilisée et est

généralement donnée pour une température de 20°C.

La prise en compte de l’inclinaison réelle du panneau est déterminante pour la

modélisation des cellules en vue d’un calcul énergétique .L’effet de leur réflexion à leur

surface est pris en compte.

III.5.5 Intensité délivrée par la source électrochimique

mbat

bat

PIU

= (3.27)

III.6 Calculs des paramètres de la voiture solaire avec MATLAB

III.6.1 Hypothèses

La voiture doit avoir une vitesse de 50km/h sur une route plate.

Elle doit être alimentée par des modules de 100WC et une batterie de 24V.

La puissance crête du générateur photovoltaïque est de 1000WC.

Le poids total de la voiture ne doit pas dépasser les 450kg.

Le rapport entre la vitesse des roues et du moteur est Rv=1/5.6.

Le rendement globalisé de la transmission 0.9tη = .

Afin d’obtenir les résultats du dimensionnement on procède comme suit :

Entrer les paramètres tels : vitesse , masse pente , rayon de la roue , accélération de la

pesanteur , coefficient de résistance au roulement , coefficient de pénétration dans l’air ,

masse volumique de l’air , surface frontale , rendement moteur .

Entrer les paramètres du panneau, et de la batterie

Cliquer sur exécuter pour avoir les résultats


Figure III.3 Interface de dimensionnement

III.6.2 Interprétation :

Notre voiture est munie d’une puissance motrice moyenne de 1023 W. L’énergie obtenue

avec les 12 modules de 100Wc pourrait propulser la voiture de 450 kg avec une vitesse de

50km/h .Avec une capacité de 2555Ah, on pourrait embarquer 8 batteries au plomb de

315Ah.

III.6.4 Manipulation :

Cliquer sur le bouton next de l’interface de dimensionnement, la deuxième fenêtre

apparaît.

Entrer les valeurs de la vitesse, pente et distance puis cliquer sur calculer pour avoir

les paramètres électriques et mécaniques.

Le bouton affichage permet d’avoir la distance parcourue et l’énergie disponible


III.6.5 Récapitulation des résultats :

Tableau III.1 Résultats sur les caractéristiques électriques

Vitesse

[km/h]

Pente

[degré]

Puissance

motrice [W]

Intensité

batterie [A]

Intensité

moteur

[A]

Consommation

[Wh/km]

60 0° 1227,67 8,7 1,08 61,38

20 4° 2305,30 16,35 6,1 116,2

20 -4° -248,33 -10,38 -3,90

III.6.6 Interprétation des résultats :

E n montant une pente de 4°, avec une vitesse 20km/h la voiture demande une puissance de

2305,30W et consomme en moyenne 116,2Wh/km Sur une route plate : à plus de 60 km/h la

puissance moteur est évaluée à 1227,67W et sa consommation à 61,38 Wh/km ; L’accroissement de la consommation dépend fortement de la pente.

III.6.7Choix du moteur – plages de vitesses.

Puisque la puissance moyenne de 1023 W, nous pouvons prendre le moteur possédant les

caractéristiques suivantes :

P= 2.5 [W] ; U=110[V]. N=1100 [tr/mn]; I=15[A]; C =35 [Nm]; J = 0.087 [kig.m²]; r=5.6 [

Ω ] [24]

Cette valeur fixe de la puissance motrice nous permet d’avoir les plages de vitesses

maximales pour une pente donnée.

Tableau III.2 : Plages de vitesses maximales pour une pente donnée

Vitesse

km/h

70 65 60 50 40 30 20 10 5

Pente

degré

0 0,76 0,85 1,24 1,77 2,65 4,4 9,7 20


Figure III.4 Plage de vitesse pour une pente donnée

III.6.3 Caractéristiques électriques et mécaniques


Figure III.5 Caractéristique et performances de la voitureLa deuxième interface nous permet aussi de gérer l’énergie disponible au niveau du système

de stockage. Il suffirait de connaître à l’avance les paramètres de la route (distance, pente,

vitesse).

En roulant sur une route à pente négative la voiture peut récupérer une certaine quantité

d’énergie.

III.6.8 Prévision de la consommation énergétique

En disposant de 2kWh d’énergie utile dans les batteries de stockages, nous essayerons de voir

ce qu’il en reste en parcourant une distance de 32km caractérisée par :

Vitesse [km/h]

35 5 30 25 60 10 15 40 40 45

Distance [km]

2,5 0,3 0,2 0,2 1.5 0.3 0,15 0,25 2,5 0,5

Pente [degré]

0 20 0 -5 0 15 5 0 -5 0

Consommation[Wh/km]

42,61 123,6 10,3 -120,2 96,0 188,2 104,7 51,1 -186 60,6

Vitesse [km/h]

15 25 30 35 40 45 50 55 60 10

Distance [km]

0,3 0,15 2,5 2,5 3,5 4 3 2,5 5 0,4

Pente [degré]

4 -5 0 0 0 0 0 0 0 7

Consommation[Wh/km]

57,78 -120,2

34,5 42,61 51,1 60,61 71,18 82,9 96,09 93,3

Tableau III.2 Consommation énergétique suivant le type de route.

Après simulation on constate qu’il en reste encore 1268,4Wh d’énergie disponible pour

parcourir quelques kilomètres.

III.7 L’architecture du générateur solaire [15]

De nombreuses configurations sont possibles pour associer les modules solaires. Mais la

configuration retenue est la mise en série - parallèle car elle permet de faire monter la tension


et le courant qui sont proportionnelles à l’éclairement. Les courbes suivantes montrent les

caractéristiques courant /tension de deux panneaux éclairées de façon différentes.

Figure III.5 Caractéristique de deux panneaux éclairés de façons différentes

Sur cette courbe on observe que le courant de court circuit total est proche du courant du

panneau le moins éclairé. La résolution de ce problème est l’utilisation d’une diode de

protection pour limiter la tension négative de la cellule la moins éclairée.

Ici, on pourrait subdiviser le panneau en 4 sections élémentaires.

. Leur disposition est la suivante :

Section avant : 3 modules.

Section latérale gauche et droite divisée en deux sections et composée de 3 modules

chacun.

Section centrale : 3 modules.

Figure III.6 Division en 4 sections du générateur photovoltaïque


Le nombre de section est déterminant pour le dimensionnement de la voiture car cela nous

permet de déterminer le nombre de .MPPT . Il nous faudrait donc 4 convertisseurs à MPPT

pour les 4 sections.

La prise en compte de l’inclinaison réelle du panneau est déterminante pour la modélisation

des cellules en vue d’un calcul énergétique .L’effet de leur réflexion à leur surface est pris en

compte .Dans le modèle , nous définissons l’éclairement comme un vecteur à trois dimensions

.Nous réalisons le produit scalaire du vecteur éclairement avec le vecteur normal à la surface

du panneau considéré .On choisi un repère fixe par rapport au véhicule .Les différents

vecteurs d’orientations des sections du générateur du véhicule sont définis par rapport à ces

axes de références .

Figure III.7 Axe de référence du vecteur éclairement

Figure III.8 Vecteurs normaux aux différentes sections de la voiture solaire


III.8La forme de la voiture.

Le modèle choisi est très simple pour permettre un gain de poids.

Figure III.9 La forme du véhicule.

III.9 Fiche technique de la voiture solaire :

Puissance panneau solaire : 1200 Wc ; 12 modules de 100Wc divisés en 4 sections.

Parc batterie : Capacité : 2500 Ah ; Nombre : 8 au plomb de 24V.

Puissance motrice : Moteur à courant continu de 2.5kW.

Autonomie : 95 km à 30km/h dans les conditions normales.

Masse : 550kg dont 120kg de charge maximale

Vitesse maximale de 70km/h avec une consommation de 72Wh/km.


CHAPITRE IVCONCEPTION D’UN HACHEUR

POUR LA GESTION DES BATTERIES

IV. 1 But de l’étude :

Le but de ce chapitre est de trouver une architecture adaptée à la meilleure gestion de la

voiture solaire.

L’architecture énergétique de la voiture solaire adopte l’architecture d’une voiture hybride

série, d’une microcentrale autonome, ou même l’association hybride de d’accumulateurs et

super condensateur pour propulser les voitures électriques.

La solution envisageable pour la meilleure gestion d’énergie est l’implémentation d’un

hacheur survolteur avec son système de commande pour avoir un stockage idéal à tension

pilotée indépendante de l’énergie.

IV. 2 Notion d’architecture et de degré de liberté [20] [28]

L’utilisation de deux sources d’alimentations, une principale d’énergie et une de puissance,

impose de nouvelles structures de la gestion de l’énergie électrique .Pour choisir la topologie

qui sera utilisée pour la voiture solaire, il serait indispensable d’étudier les avantages et

inconvénients des structures envisageables.

On pourrait choisir entre les deux types suivants :

IV.2.1 Architecture à un degré de liberté :

C’est le cas classique des panneaux solaires associés aux convertisseurs à MPPT. Avantages :

Pour une puissance donnée, on peut garder un point de fonctionnement stable pour le

panneau solaire.

Il est possible de contrôler le courant du panneau, donc une protection de celui-ci.


Inconvénients :

La tension du noeud est variable .Elle est faible dans les batteries.

Mauvaise gestion d’énergie.

IV.2.2 Architecture à deux degrés de libertés.

Le panneau est connecté avec un convertisseur à commande MPPT , tandis que l’élément de

stockage est piloté par un hacheur survolteur.

Avantages :

La tension noeud est fixée par le hacheur survolteur.

Le convertisseur à commande MPPT permet un contrôle du courant dans le panneau,

donc une protection de celui-ci.

Meilleur contrôle des paramètres des éléments.

Meilleure commande en puissance.

Inconvénients

La commande est plus complexe.

IV.3 L’architecture adoptée pour la voiture :

En appliquant la structure à deux degrés de libertés, on adopterait l’architecture suivante :

Figure IV.1 Architecture de la voiture solaire avec le hacheur survolteur

L’association hacheur survolteur batteries d’accumulateurs développe une fonction stockage à

tension contrôlée indépendante de l’énergie .Le hacheur survolteur, réversible en courant, doit

Panneau solaire

Moteur à courant continue

Partie mécanique

Batterie

Capteur

Hacheur survolteur

Contrôleur moteur

MPPT

Nœud électrique


être muni d’une commande adéquate qui permet de contrôler la tension de sortie .Donc celle

du nœud électrique (nœud de confluence des puissances électriques entre le générateur solaire

et le système de stockage) indépendamment de l’énergie stockée et du transfert de puissance.

.Il doit être transparent en puissance pour être vu par le reste du système comme un

accumulateur idéal représenté par une source de tension ajustable. Elle offre aussi une bonne

gestion d’énergie disponible dans les éléments de stockage, car on peut décharger la batterie

sous une tension plus faible.

IV.4 Conception de la commande d’un hacheur survolteur pour la gestion des batteries.

IV.4.1 les hacheurs survolteurs.[24]

Le hacheur survolteur est aussi appelé hacheur élévateur de tension. Ce montage permet de

fournir une tension moyenne à partir d’une source continue. Le schéma du montage est donné

par la figure IV.2.

Figure IV.2 Hacheur survolteur

Les applications principales du hacheur survolteur sont les alimentations en puissance

régulées et le freinage par récupération des machines à courant continues.

On distingue deux phases de fonctionnement :

Durant l’intervalle [ ]0, decTα l’interrupteur I est fermé, la diode est polarisée en

inverse (vd=-ud), la charge est donc isolée de la source. La source fournie de l’énergie

à l’inductance L.

Durant l’intervalle [ ],dec dect Tα l’interrupteur I est ouvert, l’étage de sortie

(C+charge) reçoit de l’énergie de la source et de l’inductance L.

IV.4.2 Fonctionnement à courant de source ininterrompu :


Pour 0 t tα< < l’interrupteur I est fermé et ( )li t croit linéairement.

( ) (0)l lUi t Udt t il

= = +∫ (4.1)

On a : 1 0u = ; 0di = ; 1v U=

pour t t Tα < < , l’interrupteur I est ouvert, l’inductance L restitue l’énergie

emmagasinée et le courant ( )l ti décroît.

( ) ( ) ( )dol l

U Ui t t T tL iα α−= − + (4.2)

Avec : ( ) (0)l lUi T T il

α α= + (4.3)

doU U< car ( )li t doit décroître

On a :

1 dou U= ; d li i= ; 1 dov U U= −

On déduit les caractéristiques sur la figure :

Figure IV.3 Hacheur survolteur fonctionnement à courant de source ininterrompu( )li t On détermine facilement, la relation liant U à Udo.

On a : U =vl+ul

Donc en moyenne sur une période, compte tenu du fait que la valeur moyenne de ( )lv t est nulle, on obtient :


(1 ) (1 )IO do doTU U U UT

α α= = − = − (4.4)

Donc : (1 )doUU

α= − (4.5)

En considérant un circuit sans pertes, la puissance moyenne délivrer par la source est égal à la

puissance moyenne disponible en sortie.

.

( ). ( )

do d

source IO do doIO l

I moyennedei tP U I U I I moyennedei t

= = = =

(4.7)

Et donc : 1do

IO

II

α= − .Cette relation permet de dimensionner les conducteurs à utiliser.

IV.4.3Limite entre le fonctionnement interrompu et le fonctionnement

ininterrompu.

La forme des courant et tension ( )li t et ( )lv t est donnée par la figure (IV.4).

Figure VI.4 Hacheur survolteur .Limite de fonctionnement à courant de source ininterrompuLa valeur moyenne du courant ( )li t s’écrit :

21 1(1 ) (1 )2 2 2

doIMIO

UI UI T Tl l

α α α α= = − = − (4.8)

La valeur moyenne du courant disponible en sortie s’écrit doI :

21 1(1 ) (1 ) (1 )2 2

dodo IO

UUI I T Tl l

α α α α α= − = − = − (4.9)

IV.4.4 Fonctionnement à courant de source interrompu :

Ce type de fonctionnement intervient lorsque devient tel que le courant s’annule durant la

phase où l’interrupteur est ouvert .Ce type de fonctionnement est peu utilisé.

IV.4.5 Dimensionnement des éléments L et C :


Leurs valeurs sont calculées en fonction des exigences imposées en terme d’ondulation de

courant dans l’inductance d’entrée et de l’ondulation de tension aux bornes du condensateur

de sortie.

Ondulation de courant :

( )ldec

Ui tLfα= (4.10)

maxL dec

ULi f

α= (4.11)

Ondulation de la tension de sortie :

(4.12) max

s

c dec

ICV f

α= (4.13)

IV.4.6 Les paramètres du hacheur :

Nous associons les 8 éléments de batteries au plomb en séries .Soit 4 éléments et deux bras en

parallèles. Les tensions limites d’une batterie de 24 V sont les suivantes :

En charge : 26.5V.

En décharge : 18V

Les paramètres du hacheur survolteur sont les suivants :

Tension d’entrée minimum 72[V]Tension d’entrée nominale 96[V]Tension d’entrée maximale 106,5 [V]Tension de sortie minimum 93,5[V]Tension de sortie nominale 110[V]Tension de sortie maximale 120[V]Fréquence de coupure 20[KHz]Rapport cyclique 0,42 Tableau V.1 Les paramètres du hacheur survolteur.

Pour le condensateur C= 453 Fµ

Pour l’inductance L=336 Hµ

IV.4.7 La commande du convertisseur.

Optons pour une régulation en cascade au regard des performances offertes satisfaisantes et de

la simplicité de mise en œuvre pour la réalisation d’un prototype.

( ) sch

dec

IV tCfα=


IV.4.8 Modélisation du convertisseur.

L’élaboration de la loi de commande exige une démarche adaptée face au caractère non

linéaire du dispositif considéré. Le réglage du convertisseur met en œuvre généralement une

régulation de type cascade dont il faut maîtriser les différentes bandes passantes situées entre

l’onde basse fréquence à contrôler et la fréquence de découpage.

La représentation mathématique de ce convertisseur passe par l’analyse des différentes

séquences de fonctions que l’on supposera de durées fixées par la commande.

(1 ).lc

LdiU Vdt

α= + − (4.14)

.(1 ) Cl s

dVi C Idt

α− = + (4.15)

On peut alors obtenir le schéma équivalent

Figure IV.4 Schéma équivalent d’un hacheur survolteur. IV.4.9 Le but de la commande

Contrôler le courant dans l’inductance.

Maîtriser la tension de sortie afin qu’elle corresponde à une référence.

Nous utiliserons la commande MLI (Modulation de la Largeur d’Impulsion) afin d’avoir une

fréquence de découpage fixe.

IV.4.10 Mise en place d’une boucle de courant.

Nous utiliserons les compensations pour une linéarisation du système.

On obtient donc comme fonction de transfert en boucle ouverte :

1( ) 1( )

1 ( )l

p

I pG pp Lα

= −− (4.16)

On obtient alors la structure de la chaîne de commande suivante

1Lp

1 α−1Cp

Vc

1 α− IL V

C

U I


Figure IV.5 Boucle de courant

Si la compensation de E et la linéarisation de 1

cV sont exactes, on peut utiliser 1( )G p pour

le calcul du régulateur 1( )C p (on choisira un régulateur de typa PI).

11

1

1 ( )( )( )

pC p Kp

ττ

+=

(4.17)

Il faut que la bande passante soit inférieure d’un rapport minimum de 4% par rapport à la

fréquence de découpage.

Rapport : 20

1BPf KHz=

La boucle ouverte corrigée a pour fonction de transfert :

1

1

1 1( ) pH p Kp Lp

ττ

+=

(4.18)

L’analyse du système par la synthèse du correcteur PI nous permet de calculer les coefficients

du correcteur pour une marge de phase de 60° offrant ainsi une bonne robustesse au système

en boucle fermé.

D’où :

1tan( )

BP

mφτω

= (4.19)

Et :

1.

1.

. ²1 ( )²

BP

BP

LK τ ωτ ω

=+ (4.20)

Application numérique :

275 sτ µ=

K=1.8


IV.4.11 Mise en place de la boucle de tension.

Supposons que la boucle de tension est parfaite sur une période de découpage,

(1 ).D ref Ci i Vα= − (4.21)

Si on néglige la chute de tension aux bornes de l’inductance, la tension aux bornes de D à

l’état bloqué vaut U.

En valeur moyenne :

(1 )D CU Vα= − (4.22)

Modélisons alors le système comme un générateur de courant équivalent de valeur :

.eq lrefC

UI iV

= (4.23)

Figure IV 6 Générateur de courant

Ceci nous conduit à l’équation différentielle : CLref S

C

dVUi C IV dt

= + .

En procédant encore une fois au linéarisation du système, on peut obtenir la chaîne de

commande présentée sur la figureIV.7.

Figure IV .7 Boucle de tension


Pour la fréquence de la bande passante nous prendrons une valeur inférieure d’une décade par

rapport à la bande passante de la boucle de courant, soit 100BPf Hz= .

Si on suppose que la linéarisation CVU

, et la compensation de SI sont correctes, la

transmittance 2 ( )G p du système non corrigé est :

21( )

p

G pC

= (4.24)

Le régulateur 2 ( )C p choisi sera un régulateur de type PI, La fonction de transfert de la boucle

ouverte devient :

1

1

1 1( )p

pH p Kp C

ττ

+=

(4.25)

La méthode de calcul utilisée pour la synthèse du correcteur de la boucle de courant nous

donne les résultats suivants :

1tan( )

BP

mφτω

= (4.26)

Et :

1

1.

. ²

1 ( )²BP

BP

CK

τ ωτ ω

=+

(4.27)

Application numérique :

0.25K = ; 31 2.810 sτ µ=

IV.4.12 Caractéristiques des réponses indicielles du système :

Boucle de courant :

Nous obtenons alors la réponse indicielle du système comme l’indique la figure

suivante :


Figure IV.8 Réponse indicielle de la boucle de courantEn utilisant LTI Wiever on obtient les caractéristiques du système.

Temps de monter : 515mt sµ= . Temps de réponse : 31.5310rt sµ= Temps maximal : max 206t sµ=

Boucle de tension :

Figure IV.9 Réponse indicielle de la boucle de tension.Ces caractéristiques sont :

Temps de monter : 3m 5.210t sµ=

Temps de réponse : 3m 210t sµ=

Temps maximal : 4m 1.0610t sµ=


IV.5Conclusion :

En adoptant l’architecture énergétique à deux degrés de libertés, on a pu concevoir un hacheur

survolteur pour avoir un stockage idéal au niveau des batteries. Il est muni d’une commande

adéquate pour le contrôle du courant dans l’inductance et la maîtrise de la tension de sortie

afin qu’elle corresponde à une référence .Le MPPT contrôle le courant dans le panneau

solaire. La commande est plus complexe, mais nous avons une meilleure gestion en

puissance.

CHAPITRE VMODELISATION

EN GRAPHE DE LIEN OU BOND GRAPH DE LA VOITURE SOLAIRE

Les graphes de liens se situent comme intermédiaire entre les systèmes physiques et

modèles mathématiques. Ils constituent un outil graphique permettant de décrire les échanges

d’énergies dans les systèmes, et applicables à de nombreux domaines de la physique

(électricité, mécanique, hydraulique).

Le fondateur des bond graph est Henry Paynter de (MIT Boston).Cette théorie, fondée sur le

principe de la conservation de l’énergie, propose que le flux d’énergie entre deux systèmes

d’un système physique s’exprime comme le produit de deux variables qui constituent les

entrées /sorites du système.

Les graphes de liens sont arrivés en Europe vers la fin des années 70.Les graphes de liens

déterminent la causalité du système et permettent la visualisation au sens schéma –bloc des

relations :

– de cause à effet


– entrée - sortie

– donnée – inconnue

Les avantages majeurs de la technique des graphes de liens sont nécessaires :

– pour écrire systématiquement les équations,

– pour détecter des incohérences dans les équations,

– pour parcourir le graphe de lien comme un graphe,

– pour définir le chemin causal et la boucle causale.[25]

V.1 Principe des graphes de liens :[26] [27] [29]

Les échanges d’énergies sont représentés par une flèche décrivant le sens du transfert entre

deux éléments .Ce transfert est caractérisé par deux variables, un effort et un flux dont le

Produit est égal à la puissance échangée.

1 Effort 2

Flux

Ces deux termes ont une correspondance dans pratiquement tous les domaines de la physique

V.1.1 Effort et flux dans différents domaines

Tableau V.1 Type d’énergie, variable d’effort et flux

Type d’énergie Variable d’effort Variable de fluxElectricité

Mécanique de translation

Mécanique de rotation

Hydraulique

Chimie

Magnétique

Tension [V]

Force [N]

Couple [Nm]

Pression [Nm²]

Energie libre [J/moles]

La dérivée du flux

Courant [A]

Vitesse [m/s]

Vitesse angulaire [rad/s]

Débit [m^3/s]

Débit molaire [mole/s]

La force magnétomotrice


V.1.2 Eléments constitutifs

Il est constitué de briques élémentaires reliés entre elles par des connexions .En électricité par

exemple, une jonction équiflux « 1 » représente une mise en série alors qu’une jonction equi

effort « 0 » représente une mise en parallèle.

V.1.2.1 Eléments passifs et actifs :

Les éléments passifs sont ceux qui reçoivent la puissance :

- R : dissipation d’énergie

- C, I : stockage d’énergie

Les éléments actifs sont ceux qui fournissent une puissance :

- Se, Sf : source d’effort, source de flux.

Tableau V 2 Eléments passifs et actifs

Symboles Composant Equation sans

causalité R :r

I : i

C :c

Se

Sf

Résistance, frottement

Inductance, inertie

Capacité

Source d’effort

Source de flux

e- rf = 0

e-idf/dt = 0

f-c de/dt = 0

e = constante

f= constante

V.1.2.2 Connexions entre éléments : éléments de jonction

Ce sont des éléments qui conservent la puissance

Tableau V 3 éléments de jonctions

Connexions Valeurs constantes Equations


1

0

TF

GY

MTF

MGY

Flux

Effort

Transformateur

Gyrateur, MCC

Transformateur avec rapport de transformationGyrateur avec rapport de transformation

Somme (ei) = 0

Somme (fi ) =0

e1 = nf2 ; f2 = nf1

e1 = rf2 ; e2 = rf1

f1= (1/u) f2 ; e2= (1/u) e1

f1= (1/u) e2 ; f2= (1/u) e1

V.2 Représentation des éléments

Elément R :

Modélise une dissipation d’énergie et établit une relation entre effort et le déplacement

Elément C :

Modélise un stockage d’énergie potentielle établissant une relation entre le flux et le moment

Eléments I :

Modélise l’énergie cinétique idéal avec les relations de proportionnalités entre le flux et

l’effort

Elément TF

Conversion d’énergie idéale avec les relations de proportionnalités entre le flux et l’effort


e1 = m e2; f2 = mf1; e1 f1 = e2 f 2

m : module du transformateur

La jonction GY

Permet la conversion idéale avec des relations

e1 = r f2 ; e2 = rf1 ; e1 f1 = e2 f2

Éléments : Se, Sf :

Ces modelés représentent une source idéale d’effort ou flux par lesquelles on pourrait les

affecter d’une valeur constante

Elément Mse, Msf :

Ces modèles représentent un module idéal d’effort ou flux .l’effort pourrait être affecter d’une

valeur donnée par le signal d’entrée.

Elément :

Ces modèles pourront être insérés dans plusieurs liens pour produire l’effort et le flux de ce

lien et de les avoir comme signal de sortie.

V.3 Notion de causalité :

Les graphes de liens permettent de décrire la causalité qui régit la relation énergétique

attachée aux liens, représentée par une barre à l’extrémité de la flèche. Cette représentation

des causes à effet constitue une qualité appréciable.

Si on suppose deux éléments A et B qui échangent de la puissance, deux cas peuvent se

présentés :

A applique un effort à B et B renvoie le flux fonction de cet effort.


e

f

A applique un flux à B et B renvoie un effort fonction de ce flux

f

e

Par convention le trait causal se trouve du coté de l’élément qui reçoit l’effort. Il ne faut pas

confondre le sens de la flèche qui indique le sens du transfert de la puissance choisie

arbitrairement et le trait de causalité qui est fixé par la nature des éléments et leurs

interconnexions

La causalité oriente aussi les relations sous forme intégrales (1/ )f L edt= ∫ ou dérivées

e = Idf / dt pour un élément I par exemple ;

Pour les éléments C et L on trouve donc :

V.4 Exemple d’applications industrielles

A B

A B

A B

A B


A part l’électricité, mécanique et l’hydraulique les graphes de liens sont aussi applicables aux

ingénieries des systèmes pluridisciplinaires pilotés, avec des transferts d’informations et de

puissance.

En outre , plusieurs grandes entreprises de constructions automobiles utilisent les

graphes de liens pour la modélisation , l’identification , l’analyse , la commandes , la

diagnostique , et la simulation de leurs véhicules (Renault , Ford , Toyota )

Les entreprises comme Siemens, Valeo, Bosch l’optent aussi pour la modélisation des

batteries.

V.5 Modèle global avec le formalisme de base de la voiture solaire.

La modélisation de la voiture solaire consiste à le diviser en sous systèmes comprenant :

Un accumulateur électrochimique : la batterie.

Un transformateur électromécanique : le moteur electrique.

Un consommateur mécanique : la caisse du véhicule avec son inertie mécanique et les

forces de résistances à l’avancement du véhicule.

Un générateur : panneau solaire divisé en quatre sections indépendantes.

La figure V.1 va schématiser un système représentant un véhicule electrique solaire avec

la transmission des flux et efforts entre les sous systèmes .Précisons que le sens de la

flèche indique la causalité, c’est-à-dire l’élément qui impose l’effort et l’élément qui

impose le flux, mais n’indique pas forcement le sens du flux.

Figure V.1 Représentation d’un véhicule electrique solaire avec le formalisme de base

V.6 Modèle en graphe de lien


La figure V.2 montre le schéma global en graphe de lien du véhicule solaire conforme au

formalisme de base proposé .Une jonction equieffort « 0 » interconnecte en parallèle le

générateur photovoltaïque avec l’élément de stockage et le Groupe Moto Propulseur(

ensemble moteur , partie mécanique de la voiture) ..Ainsi que nous le verrons, le générateur

photovoltaïque est en fait constitué de quatre sections indépendantes et reliées par autant de

convertisseurs à MPPT qui sont inclus dans le modèle du panneau photovoltaïque.

Figure V.2 Modèle global en graphe de lien de la voiture solaire

V.7 Modélisation en sous système de chaque élément :

V.7.1 Modèle de la batterie

Les réactions chimiques qui se passent à l’intérieur de la batterie sont ceux décrites au

chapitre II.

Pour son modèle en graphe de liens, on doit considérer les enthalpies libres des différentes

substances participantes à la réaction telles :

2 4 4 2, , , , ,Pb PbO H HSO PbSO H O+ −

Appliquons cette équation de l’enthalpie aux électrodes élémentaires :

A l’anode :


14 4( ) ( )[ ]anodeG G PbSO G HSO KJmol° ° − −∆ = ∆ − ∆

A la cathode :

4 4 2 2( ) ( ) ( ) ( )cathodeG G PbSO G HSO G H O G PbO° ° −∆ = ∆ − ∆ − ∆ ° − ∆ [31]

La tension à l’équilibre est :

cathode anodeE E E° = − [23]

L’effort mise en jeu dans cette modélisation est le potentiel chimique ( 11[ . ]J Molµ − ) et le

flux est le débit molaire ( 1[ . ]iJ mol s− ).

Leurs expressions sont données par la relation :

ln( );i i i i i iG RT a J vµ ξ= ∆ + =

Avec :

iG∆ : Énergie libre molaire de Gibbs [ 1.J mol − ]

n :nombre de moles d’électrons échangées

F : constante de Faraday 196493[ ]mol −

R : constante des gaz parfaits 1 18.314[ ]Jmol k− −

T : température [ ]K

ia : Activité du composant i .

Les éléments TFi transforment chaque potentiel chimique iµ en affinité chimique partielle Ai

( i iAi µ γ= ) .Ces éléments TFi ont pour rapport de transformation 1

iγ ou iγ est le coefficient

stoechiométrique associé à l’élément i prenant part à la réaction On retrouve donc le même

principe de conversion chimique electrique et sa causalité : un potentiel electrique

directement lié au potentiel thermodynamique résultant. [29] [20]

La vitesse de réaction iξ qu’impose le circuit extérieur à travers le courant débité est reliée au

débit molaire.

Les jonctions 1 assurant les sommations des énergies à flux molaire commun après adaptation

stoechiométrique.

A l’anode :

44anode Pb PbSOHSO H

A A A A A− +−= + − −


A la cathode :

2 4 24cathode PbO PbSO H OHSO H

A A A A A A− +− −= − − + −

Les rôles de chaque élément TF sont donnés ci après :

3 6,...,TF TF : Adaptateurs de grandeur stoechiométrique des éléments participant à la réaction.

1 2,TF TF : Transformateur interface chimique electrique de rapport.1

nF.

Dans la figure de modélisation, les demi réactions à l’anode et à la cathode sont visibles

respectivement à gauche et à droite, et sont séparés par l’électrolyte.

Des capacités modélisent la contenance de matière, sur les électrodes et dans l’électrolyte.

Les éléments H ne participent pas directement au niveau énergétique à cause de leur enthalpie

nulle.


Figure V.3 Modèle en graphe de lien de la batterie au plomb V.7.2 Modèle du hacheur survolteur

CPb C

PbSO4 anode C

H2SO4C

PbO2C

H2OC

PbSO4 Cathode

1[ . ]Pb

J molµ

−

Ji J

i 2 4H SOµJ

i2H Oµ

Ji 2PbOµJ

i 4PbSOµ

ELECTROLYTETF3

TF4 TF6TF5

011

0

[mol s-1]

APb iξ

iξiξ iξ

iξiξAPbSO

4 H2so4

AH+

AH2O

APbO2

APbSO4

TF1

TF2

Ia Eanode

iξ Aproduit

Ic Ecathode

10 10

Ecathode-Uc Ecathode-Uc

C

Surtension anodique

RIdcc Ic

R

Uc Ic

Surtension cathodique

Ua

Ic

C

Eanode-Us Eanode-Is

IdcaIa

1

Ucathode =Ecathode-Uc

I

Uanode=Ecathode-ua

I

Uanode+Ucathode-UelectrolyteU electrolyte

I

Charge electrique

R


La partie de puissance se décompose comme la figureV.4 .La relation entre la tension

d’entrée et la tension de sortie est la suivante :

1e

sVV

α=

−

Nous modélisons donc le hacheur en modèle moyen par un transformateur de rapport de

transformation. .1

1 α−

Circuit de puissance du hacheur survolteur :

Figure V.4 Modèle en graphe de lien du hacheur

V.7.3 Modélisation du moteur à courant continue

Le modèle du moteur à courant continue est représenté par l’élément GY, avec des relations

croisées entre effort et flux tout en respectant les règles de causalités

Les équations mises en jeu sont celles de la tension. L’élément de jonction 1 est utile car la

somme des tensions (effort) est nulle, l’inertie du moteur est représentée par l’élément I.


Figure V.5 Moteur à courant continue en graphe de lienV.7.4 Modèle de la partie mécanique :

Dans le domaine de la mécanique, les forces sont les efforts et la vitesses sont les flux

L’inertie de la voiture est représentée par un élément I.

Figure V.6 Modèle global en graphe de lien de la partie mécanique

Ainsi que le montre la figureV.6 la vitesse étant commune à tous les liens et la somme des

forces étant nulle, les différentes forces et le couple développé par le moteur sont réunis par

l’élément 1.

Entre le moteur electrique et la partie mécanique, on passe d’un couple et d’une vitesse de

rotation à une force et d’une vitesse de translation .L’élément de conversion est ici la roue


modélisé en graphe de lien par l’élément TF, transformateur de rapport de transformation égal

au rayon.

En incorporant les paramètres intervenants dans le comportement dynamique du véhicule, on

obtiendrait un modèle mécanique plus détaillé :

Figure V.7 Modèle de la partie mécanique

V.7.5 Modèle détaillé du générateur photovoltaïque :

Le générateur est modélisé par une résistance variable qui donne la caractéristique statique

tension courant souhaitée .Les grandeurs d’entrée du modèle sont l’éclairement et la

température. La grandeur de sortie est considérée comme une source de courant electrique


Figure V.8 Variables d’entrées et sorties du panneau solaire.Ainsi que nous le montre la figure V.9, le générateur solaire est divisé en quatre sections. Le

modèle est architecturé autour d’une source de courant associé à une diode et une résistance

shunt en parallèle. Les convertisseurs à MPPT sont ici représentés par l’élément C du à leurs

fonction de stocker le maximum de puissance des panneaux.

Figure V.9 Sous système du modèle d’un générateur photovoltaïque

V.8 Modèle complet de la voiture solaire.

Générateur photovoltaïque

Température Éclairement

I U


Figure V.10 Modèle complet en graphe de lien de la voiture solaire

V.9Modèle détaillé de la voiture entière

Les échanges d’énergies, les relations de cause à effet, les entrées sorties liant les sous

systèmes du modèle sont décrit dans le schéma suivant :


V.10Conclusion :

La modélisation en bond graph nous a permis de décrire la relation de cause à effets et entrée

sortie des composants de la voiture solaire.

Le modèle globale intégralement en graphe de liens ,du générateur découpé en quatre

sections orientées dans l’espace ,au moteur à courant continue ,en passant par l’accumulateur

électrochimique et le hacheur survolteur permettrait de réaliser des études indispensables au

bon fonctionnement et à l’optimisation de la voiture solaire .Nous avons illustré l’intérêt de

cette approche globale pour une éventuelle détermination de gestions d’énergie optimale

suivant les conditions faisant intervenir des facteurs apparemment éloignés tels que :la

position du soleil , la variation de l’éclairement journalière, inertie du véhicule.


CHAPITRE VIEVALUATION ECONOMIQUE

Le but de cette étude est d’estimer le coût d’une voiture et d’en faire une comparaison avec

une voiture ordinaire de même puissance.

VI.1Coût estimatif :

Tableau VI.1Cout estimatif.

Désignation Quantité Coût unitaire (Ar)

TTC

Montant (Ar)TTC

Panneau solaire 100Wc 12V 12 1 965 301 17 687 705Batteries

24V 325Ah

8 9 274 80 7 419 840

Système de freinage

(Disque +accessoires

02 210 000 420 000

Suspension

Avant

Arrière

02

02

108 000

56 400

540 000

282 000Roues 04 90 000 344000

Electronique, commande,

éclairages et autres accessoires

3 650 000

Carrosserie et châssis 2 200 000Moteur electrique 3 900 000 TOTAUX 36 443 545Source : Energie technologie.

Avec un coût de fabrication à 15% du prix des kits, le coût total de la voiture serait :

Ct= 43 732 254 Ar

Notons :

I1 l’investissement unitaire qui est égal à Ct.


Dem : la dépense annuelles d’exploitation et maintenance est estimée à 0.5% de Ct .

Dem= 218661Ar

VI.2Définitions :

Cash flow : La mesure de la rentabilité d’un investissement repose essentiellement sur

le concept de « cash flow ».Un cash flow est le solde des flux de caisse engendrés par

un investissement à la clôture d’une période.

Valeur actuelle nette (V.A.N) : Le principe de la valeur nette est très simple .I

consiste à additionner les cash flow engendrés par un investissement. Soit Rn les

revenus générés par un investissement au cours de n années :

1 (1 )

nn

nt

RVAN Ii=

= − ++∑

Indice de profitabilité (IP) : permet de rapprocher le coût d’investissement de cash flow

qu’il engendre .On l’obtient en appliquant la formule suivante.

IP= (somme des cash flow actualisés)/ (coût de l’investissement).

VI.3Comparaison avec une voiture thermique.

L’étude la comparaison est effectuée pour ne période d’exploitation de 10ans. A voiture

choisie est la petite voiture thermique dotée d’une puissance de 4Ch qui est la smart dont la

dépense annuelle d’exploitation et maintenance est estimé à 0.5% et le prix d’achat à

18000000Ar.

Supposons que les deux voitures effectuent en moyenne une distance 30km par jours.

Le prix de l’essence est évalué à 1270Ar le litre, alors que celle du kilowattheure est estimée à

660Ar.

Le coefficient d’actualisation est estimé à 10%.

TableauVI.2 Comparaison des coûts.

Voiture electrique solaire Voiture thermique Coût 43 732 254Ar 18 360 000 ArConsommation énergétique 5597,640 kWh 10 950 l Coût de consommation /an 369 450 Ar 1 390 650 Ar

La voiture electrique solaire génère des revenus de 369 450 Ar tan disque le coût de

consommation pour l’autre est encore une charge financière.


A chaque période la voiture electrique apporte 3694 50 Ar.

Le cash flow net à chaque période est 150 789 Ar.

10

1

1(1 )t

tVAN I R

i== − +

+∑TableauVI.3VAN à chaque période.

Années Taux d’actualisation 10% VAN de l’investissement Ar0 11 1,1 137067,22 0,826 124551,73 0,751 113242,54 0,683 102988,85 0,621 93699,96 0,564 85044,97 0,513 77354,7

8 0,466 70267,69 0,424 63934,510 0,385 59561,6

870142

VAN=870142-43732254= -42 862 ,112

IP=0.019

VI.4Conclusion :

Au terme, les valeurs montrent que la voiture electrique solaire est plus chère qu’une smart.

Au niveau du consommation, le premier gagne largement .Elle n’a besoin d’aucune

combustible.

Avec un indice de profitabilité de 0.019 on pourrait donc considérer que l’acquisition d’une

voiture electrique solaire est un investissement rentable à long terme.

CHAPITRE VII IMPACTS ENVIRONEMENTAUX

VII.1 Appauvrissement de la couche d’ozone :


En octobre 1979 , un trou ou une diminution de la couche d’ozone à été constaté pour

la première fois au dessus de l’antarctique ou le taux de chlore est le plus élevé que tout

ailleurs .La couche d’ozone à pour rôle de réguler le climat terrestre et d’absorber les

rayonnement ultraviolets qui sont dangereux pour presque toutes les formes de vies sur terre

.En effet , les rayon UV provoque le cancer de la peau et le coup de soleil .Au niveau des

yeux , ils entraînent le cataracte , sans parler de ses effets néfastes sur les faune et les

terrestres et marins .Aujourd’hui les spécialistes constate que le trou sur la couche d’ozone ne

cesse de s’agrandir .On l’estime à 410% de la couche d’ici 2080.

VII.2 Réchauffement de la planète :[30]

Certains gaz comme le CO2 CH4, NO2, entraînent l’effet de serre émanant du soleil et

réfléchit par la terre . Les conséquences du réchauffement de notre planète sont beaucoup

pour ne citer que le bouleversement de du climat terrestre, la hausse du niveau de la mer ,

l’aridification des zones tempérées . Selon l’estimation des météorologues, la température

moyenne du globe pourrait augmenter de 1.5 à 4.5 degrés centigrades d’ici quelques années

VII.3 Préservation de l’environnement :

La préservation de l’environnement fait donc aujourd’hui l’objet de préoccupation des

Nations Unis .Plusieurs sommets internationaux ont été organisé .Comme celle de Rio et

Kyoto, ils rassemblent tous les pays membres de l’ONU. Le but est d’inciter les pays riches

ou industrialisés à réduire le taux d’émission de CO2 dans l’atmosphère. Jusqu’à présent, les

résultats ont été peu satisfaisants .Les grands pays comme les USA persistent encore sur le

fait de diminuer leur taux de CO2 car cela signifie une baisse de production des industries .

Mais plus récemment, le sommet de Québec à déjà fait un grand pas pour la préservation de la

nature. Durant des jours de séminaire, tous les appareils informatiques fonctionnaient au

service des modules photovoltaïques. L’énergie solaire gagne là donc beaucoup de points par

rapport aux autres énergies renouvelables.

A Madagascar, ce sont surtout les feux de brousses qui sont les premiers acteurs de la

destruction de l’environnement .Le domaine du transport occupe la deuxième place

.Antananarivo est aujourd’hui la deuxième ville la plus polluante après Mexico.


Chez nous, c’est le Ministère de l’environnement qui est le garant de la consolidation de la

charte de l’environnement. Il prend en charge de l’exécution du PAE par l’intermédiaire des

agences d’exécution telles : l’ONE, l’ANAE .La direction des eaux et foret.

Pour le cas de la voiture solaire qu’apporte t il au respect de l’environnement ?

VII.4 Les points avantageux apportés par le véhicule :

Classifiée parmi les énergies les plus saines, l’énergie solaire ne présente aucun risque à la

destruction de l’environnement .Le taux d’émission de CO2 provoqué par les cellules

photovoltaïques est nul. Telle est donc le point le plus avantageux de la voiture. La

conversion de l’énergie solaire en électricité se produit à coût zéro, et la voiture n’a pas

besoin de changement d’huile ou d’être ravitaillée

Grâce au moteur electrique la voiture est parfaitement silencieuse par rapport aux

véhicules ordinaires .Aussi, normalement il n’y a pas de vibrations produites ;les moteurs

sont plus petits

Il n’y a aucune consommation pendant la phase de décélération.

Elle pourrait parcourir 1 Million de km. ; Les entretiens sont réduites de 30 à40%.Les risques

de pannes sont tout de fois moins nombreuses.

Tout de fois, elle connaît quelques contraintes

VII.5 Les points négatifs

Même si elle parait plus légère que les autres voitures, la surface des modules

photovoltaïques occupe une énorme ’espace.

A cause de la puissance limitée du moteur electrique, il est difficile de fabriquer une

voiture de grande taille .Avec une telle voiture, on ne pourrait donc s’offrir le grand luxe.

Le nombre de personne embarqué est très limiter (2 au maximum).On ne peut donc

l’exploiter pour le transport en commun.

Elle ne peut pas être opérer pendant une longue période de la nuit .Aussi dans un jour

nuageux, la vitesse doit être considérablement réduite pour une longueur distance

Mais l’un des inconvénients demeure également au niveau du coût, puisqu’une voiture

solaire peut coûter jusqu’à plus de 200000 milles dollars américain .Les cellules et les

batteries sont si chères car la voiture demande une grande performances et de matériels plus


légers. Plusieurs matériaux de la voiture ne sont pas produits en grand quantité .En outre, les

cellules solaires ne sont pas très efficients .Il existent des cellules dont le rendement est de

30%, mais elles sont extrêmement chères .En plus les matériaux nécessaires à la construction

des cellules et batteries sont toxiques

.

CONCLUSION

Au terme de cette étude, on a pu constater que l’énergie fossile qui domine la consommation

mondiale. La part abondante de 50% du secteur transport et l’émergence des pays en

développement comme la Chine ne pourrait qu’aggraver le problème de la consommation

mondiale en pétrole.


La voiture electrique solaire se présente comme l’une des alternatives au pétrole. Grâce à ses

composants, son architecture et sa sobriété énergétique, elle constitue une vitrine qui établit

un lien concret entre l’énergie renouvelable et le transport.

Après dimensionnement, on a sorti un modèle avec un poids total de 550kg dont 120kg de

charge maximale. Elle est dotée d’une puissance motrice de 2,5kW .Les 8 batteries au plomb

de 24V et un générateur solaire composé de 12 modules pourront la propulser avec une

vitesse de 50km/h sur une route plate.

Nous avons développé une fonction stockage à tension contrôlée, réalisée par l’association

d’un hacheur survolteur et le parc batterie .Ce convertisseur est muni d’un système de

commande adéquate qui contrôle la tension de sortie et le courant dans l’inductance.

Enfin, on a pu modéliser la voiture solaire en sa totalité au moyen du graphe de liens .Cet

outil a été adopté pour représenter les transfert d’énergies entre éléments .Sous cette

formalisme énergétique plus éclaircit, on pourrait chercher d’avantages une meilleure

performance énergétique de la voiture.

Pour réduire la consommation de pétrole du secteur transport à Madagascar, nous proposons :

- le développement du transport en commun,

- le développement du transport fluvial,

- le développement des pistes piétonnes,

- l’amélioration des pistes cyclables,

- Favoriser les recherches :

o des autres sources nouvelles, renouvelables disponibles.

o dans le domaine de l’économie de l’énergie.

ANNEXE 1 [18]COMMANDE DE VITESSE DE LA VOITURE ELECTRIQUE

SOLAIRECommande et régulation de la vitesse MCC.Le MCC est piloté par un hacheur dévolteur.


Partie de puissance du hacheur dévolteur à transistor bipolaireLe circuit de commande du hacheur :

Le circuit de commande de l’hacheur est un générateur PWM (Pulse Wave Modulator) ou

Modulateur en largeur d’impulsion à circuit intégré NE 555 monté en oscillateur.

Circuit de commande à NE 555


Commande de la marche avant et arrière

la commande de la marche avant et arrière est réalisée à l’aide des transistors.Dans notre circuit, les transistors T1, T2 et T3 sont toujours passants.

Moyen pour gérer la vitesse de la marche avant et arrière du moteur à courant continu de la voiture electrique solaire

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ANNEXE 2Liste de programme : %Dimension.m

z=findobj(gcf,'tag','e1'); vi=str2num(get(z,'string'));y=findobj(gcf,'tag','e2');ap=str2num(get(y,'string'))h1=findobj(gcf,'tag','Ed1');M=str2num(get(h1,'string'))h2=findobj(gcf,'tag','Ed2');g=str2num(get(h2,'string'))h3=findobj(gcf,'tag','Po1');e=str2num(get(h3,'string'));h4=findobj(gcf,'tag','E4');R=str2num(get(h4,'string'))h5=findobj(gcf,'tag','E5');K=str2num(get(h5,'string');h6=findobj(gcf,'tag','E6'); Mv=str2num(get(h6,'string'))h7=findobj(gcf,'tag','E7')Cx=str2num(get(h7,'string')) h8=findobj(gcf,'tag','E8');S=str2num(get(h8,'string'))h9=findobj(gcf,'tag','E9');Rm=str2num(get(h9,'string'))h10=findobj(gcf,'tag','Ed10');Pu=str2num(get(h10,'string'))h11=findobj(gcf,'tag','Ed11');Ei=str2num(get(h11,'string'))h12=findobj(gcf,'tag','Ed12');Co=str2num(get(h12,'string'))h13=findobj(gcf,'tag','Ed13')Nj=str2num(get(h13,'string'))h14=findobj(gcf,'tag','Ed14');V=str2num(get(h14,'string'))h15=findobj(gcf,'tag','Ed15');dp=str2num(get(h15,'string')) h0=findobj(gcf,'tag','P0');v=str2num(get(h0,'string'))v=(vi*1000)/3600;e=(ap*pi)/180;Pm=(M*g*v*e+K*M*g*v+0.5*0.000774*v^3)/0.9;Pc=Pm/Rm;Nm=Pc/Pu;Pp=Nm*Co;Ej=0.6*Ei*Pc;C=(Ej*Nj)/(dp*V);h30=findobj(gcf, 'Tag','P0');set(h30,'string',num2str(v))h31=findobj(gcf, 'Tag','Po1'); set(h31,'string',num2str(e))h16=findobj(gcf, 'Tag','Ed16'); set(h16,'string',num2str(Pm))h17=findobj(gcf, 'Tag','Ed17'); set(h17,'string',num2str(Pc)) h18=findobj(gcf, 'Tag','Ed18'); set(h18,'string',num2str(Ej)) h19=findobj(gcf, 'Tag','Ed19'); set(h19,'string',num2str(Pp))h20=findobj(gcf, 'Tag','Ed20')set(h20,'string',num2str(Nm))h21=findobj(gcf, 'Tag','Ed21'); set(h21,'string',num2str(C))

%calcul.m d=findobj(gcf,'tag','j1'); vt=str2num(get(d,'string'));x=findobj(gcf,'tag','j2'); pt=str2num(get(x,'string'))m=findobj(gcf,'tag','j3');dt=str2num(get(m,'string'))Ctot=(15.40*pt+13.2435+0.00001194*vt^2);Ce=0.19*Ctot;Pe=Ce*1.38*vt;Im=Ce/2.33;Pu=Ctot*(vt*1.54);I=Pe/24;Ed=2902;t=(Ed/I)*0.20; x=20*t; Co=(Pu*t)/x; tr=dt/vt; E(i)=(Pu*tr); D(j)=dt;i=i+1;j=j+1 a1=findobj(gcf, 'Tag','e1'); set(a1,'string',num2str(Ctot)) a5=findobj(gcf, 'Tag','e5');set(a5,'string',num2str(Pu))a6=findobj(gcf,'Tag','e6');set(a6,'string',num2str(I))a7=findobj(gcf,'Tag','e7');set(a7,'string',num2str(Ed))a9=findobj(gcf, 'Tag','c1');set(a9,'string',num2str(Ce))a10=findobj(gcf,'Tag','c2');set(a10,'string',num2str(Im)) a11=findobj(gcf, 'Tag','c3');set(a11,'string',num2str(Co))

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%affichage.mh2=findobj(gcf,'tag','s6');Econ=sum(E);dtot=sum(D);Edis=Ed-(Econ);y=findobj(gcf, 'Tag','u1');set(y,'string',num2str(Econ))cv=findobj(gcf, 'Tag','u3');set(cv,'string',num2str(dtot))xc=findobj(gcf, 'Tag','u2');set(xc,'string',num2str(Edis))n=str2num(get(xc,'string'));if n<100;set(h2,'string','ENERGIE INSUFFISANT',... 'Handlevisibility','on') else set(h2,'string','ENERGIE SUFFISANT')end

%ligne de Programme pour boucle de courant et boucle de tension

G=tf([495 1.8],[92400 0 0]) Transfer function:495 s + 1.8----------- 92400 s^2 » ftbf=feedback(G,1,-1) Transfer function: 495 s + 1.8-----------------------92400 s^2 + 495 s + 1.8 » t=[0:0.1:10000];» step(ftbf,t)» step(ftbf,t)

G=tf([700 0.25],[1268400 0 0]) Transfer function:700 s + 0.25-------------1.268e006 s^2 » ftbf=feedback(G,1,-1) Transfer function: 700 s + 0.25----------------------------

1.268e006 s^2 + 700 s + 0.25t=[0:0.1:20000];» step(ftbf,t)

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[32] ANDRIAMITANJO Solofomboahangy Cours Asservissement Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo.2004

Auteur : RATEFIARISON Dolly Harivola

Titre : « Contribution à l’étude de la gestion d’énergie d’une voiture electrique solaire »

Nombre de pages : 96

Nombre de tableaux : 12

Nombre de figures : 54

Mots clés : graphe de liens, batterie, générateur photovoltaïque, accumulateur

plomb, Modélisation, hacheur survolteur

RESUMELa voiture électrique solaire est l’une des alternatives des voitures à moteur thermique. Notre

voiture électrique solaire est modélisée au moyen du graphe de liens pour une éventuelle

optimisation de la gestion d’énergie. Elle est caractérisée par : un moteur de 2,5Kw ; panneaux

solaires de 12 modules de 100Wc ; 8 batteries au plomb de 24V pilotées par un hacheur

survolteur muni de son système de commande qui contrôle la tension de sortie ; et possède une

masse de 550Kg dont 120Kg de charge maximale.

ABSTRACTThe solar electric car is one of the alternative of the cars motor- thermal. Our solar electric car

is modelling by means of the bond graph for a possible optimization of the energy management.

It is characterized by: a motor of 2,5kW; 12 module photovoltaic of 100Wc; 8 batteries to the

lead of 24V. And possess a mass 550Kg of which 120Kg maximal load .The battery are

piloting by a hacker depressor with command system which controls the voltage of exit.

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Keywords: bond graph, battery, photovoltaic generator, plomb accumulator,

modelling,Hacker depressor.

Rapporteur : RAKOTONIAINA Solofo Hery .Enseignant à l’Eole Supérieure Polytechnique

d’Antananarivo.

Adresse de l’auteur : Lot FVF 13A Firavahana Fenoarivo . Antananarivo Atsimondrano .

Tana 102- e-mail : [email protected].

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