MEMOIRE (etude et conception d'un voiture hybride en ...

MEMOIRE (etude et conception d'un voiture hybride en moteurs en serie)Etude et conception de voiture hybride à moteur en série Mémoire 2010
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
ECOLE NORMALE SUPERIEURE POUR L’ENSEIGNEMENT TECHNIQUE
DEPARTEMENT DE GENIE MECANIQUE
MEMOIRE DE FIN D’ETUDES POUR L’OBTENTION DU DIPLOME C.A.P.E.N
(Certificat d’Aptitude Pédagogique de l’Ecole Normale)
ETUDE ET CONCEPTION
EN SERIE
31 Mars 2011
REPOBLIKAN’I MADAGASCAR
Fitiavana – Tanindrazana– Fandrosoana
Etude et conception de voiture hybride à moteur en série Mémoire 2010
2
SUJET DE MEMOIRE DE FIN D’ETUDE 2009/2010
SUJET DE MEMOIRE
TITRE : ETUDE ET CONCEPTION D’UNE VOITURE HYBRIDE A MOTEUR E N SERIE
(01 étudiant - PETGM5)
Thème : Les voitures hybrides sont les voitures les plus vendues au Japon. D’où aussi l’intérêt d’aborder à ce sujet.
Le système hybride en série permet au moteur électrique de diriger seul la rotation des roues en utilisant la puissance générée par le moteur thermique.
Un hybride en série est composé d’un moteur électrique et d’un moteur thermique.
Lors des faibles vitesses, le moteur thermique est utilisé par intermittence pour alimenter soit le moteur électrique, soit pour recharger la batterie.
Le nom série vient du fait que le moteur thermique est directement lié en série au moteur électrique.
TRAVAUX DEMANDES
− Faire une étude des pollutions dues aux moteurs thermique. − Faire une étude de principe de technologie hybride. − Faire le choix des deux moteurs. − Faire une analyse de fusion des deux moteurs. − Calculer quelques éléments de base pour les liaisons et transmissions. − Dessiner les éléments. − Déposer une maquette réduite ou numérique au titre de la bibliothèque de l’école.
NB : Pour démarrer le calcul, prenons la masse et la puissance des voitures de sports les plus légères.
Encadreurs
BP 0 - 201 ANTSIRANANA - MADAGASCAR
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Remerciements
Tout d’abord, je tiens à remercier notre Dieu tout puissant de m’avoir donné la foi, la santé le
courage durant l’accomplissement de ce travail de mémoire.
Mes sincères remerciements sont offerts spécialement à Monsieur MAMONJISOA Pierre et
Monsieur CANISSIUS Ulrich, pour leurs conseils précieux, de m’avoir accordé leurs grandes
disponibilités et surtout de m’avoir dirigé durant l’élaboration de ce travail de mémoire de fin
d’étude.
J’anticipe mes remerciements à Monsieur le président de Jury et aux membres de jury qui
vont porter leur jugement sur ce travail.
Ma gratitude est offerte :
• A tous les enseignants de l’ENSET Antsiranana qui ont donné leur savoir-faire pour
notre formation durant ces cinq années d’études ;
• A tous de promotion H.E.J.A.N.A qui ont su crées une atmosphère fraternelle ;
• A toutes les personnes qui m’ont beaucoup aidée durant l’accomplissement de ce
travail.
Je partage humblement ma joie à toute ma famille, plus particulièrement à mes parents et
mes sœurs. Grace à leurs affectifs, moraux et financières, j’aurai pu finir mes études à
temps.
RAHERINIAINA Arsène
4
PARTIE I : ETUDE THEORIQUE ET CONCEPTIONDE LA VOITURE HYBRIDE ...................................... 8
Chapitre 1:ANALYSE DES POLLUTIONS CAUSEES PAR L’EXPLOITATION DES L’AUTOMOBILES A
MOTEURS THERMIQUES ........................................................................................................... 9
1.1. VOITURE HYBRIDE : POURQUOI HYBRIDE ? ................................................ 10
1.2 DIFFERENTES ORIGINES DES POLLUTIONS DEGAGES PAR LES MOTEURS THERMIQUES DES L’AUTOMOBILES ........................................................................ 10
1.2.1 Origines des pollutions ; .................................................................................... 10
1.3. ANALYSE DES GAZ D’ECHAPPEMENTS DES MOTEURS THERMIQUES. ... 11
1.3.1. Emission des polluants. ..................................................................................... 11
1.4. EFFETS DES POLLUANTS ............................................................................... 12
1.4.1. Effets des polluants sur l’homme .................................................................... 12
1.4.2. Effets des polluants sur l’environnement. ..................................................... 13
1.5. DIFFERENTES MESURES DEJA PRISES POUR RESOUDRE LES PROBLEMES DE POLLUTION DUE AUX AUTOMOBILES. ....................................... 13
CHAPITRE 2 : Étude théorique de la voiture hybride ........................................................ 15
2.1 GENERALITE ET PRESENTATION DE VOITURE HYBRIDE ......................... 16
2.1.1 Généralité de voiture hybride ............................................................................ 16
2.1.2 Concept de voiture hybride . .............................................................................. 16
2.2 Présentation de voiture hybride. ..................................................................... 18
2.2.1 Classifications des voitures hybrides. ........................................................... 18
2.2.2 Principaux modes des fonctionnements des voitures hybrides . ............ 26
2.2.3 Avantages et inconvénients des voitures hybrides . ................................... 28
2.2.4 PERSPECTIVE DE VOITURE HYBRIDE. ......................................................... 30
2.3. PRESENTATION ET MODELISATION D’UNE VOITURE HYBRIDE EN SERIE 32
2.3.1. Présentation de voiture hybride à moteur en série. .................................... 32
2.3.2. Principe de fonctionnement de la voiture hybride à moteurs en série ; 33
2.3.3. Flexibilité de la chaîne cinématique hybride série. ................................................. 33
2.4.1. Modélisation du groupe électrogène ............................................................... 34
2.4.2. Modélisation de traction de la voiture ............................................................. 35
2.6 CONCEPTION ET DIMENSIONNEMENT DES ORGANES DES TRANSMISSIONS MECANIQUES. ...............................................................................40
2.6.1 EXIGENCES FONCTIONNELLES DU VEHICULE .......................................... 40
5
2.6.3 Calcul les éléments de réducteur ; .................................................................. 46
2.6.4 Calcul des éléments des différentiels mécanique . ...................................... 58
2.6.5 DIMENSIONNEMENT DES DEMI-ARBRES DES ROUES MOTRICES ...... 61
PARTIE III : IMPLICATION PEDAGOGIQUE MOTEURS THERMIQUES .............. 64
Chapitre 1 : GENERALITES SUR LES MOTEURS THERMIQUES ...................................... 65
1.1 Introduction ....................................................................................................... 65
Chapitre 2 :MOTEURS 4 TEMPS (EN ESSENCE). .............................................................................. 67
2.1 Principe de fonctionnement d’un moteur en quatre temps .................................. 67
2.1.1 Définition du cycle à 4 temps ...................................................................................... 67
2.1.2 Déroulement du cycle .......................................................................................... 67
2.2 Etude thermodynamique du moteur ................................................................ 68
2.2.1 Généralité ................................................................................................................. 68
2.3.1 Généralités ............................................................................................................. 70
2.3.3 Réalisation de l'épure de distribution ............................................................. 71
2.4 Système d'injection ............................................................................................. 72
2.4.2 Avantages du système d'injection ................................................................... 72
2.4.3 Différents systèmes d'injection ........................................................................ 72
2.5 LES DISPOSITIFS ANTI-POLLUTION ............................................................... 73
EXERCICES D’APPLICATIONS .................................................................................................. 75
Conclusion ........................................................................................................................................... 76
BIBLIOGRAPHIQUE ................................................................................................................................ 77
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INTRODUCTION
Depuis la création de la première automobile à la fin du émeXIX siècle, le parc automobile n’a
jamais cessé de s’accroitre (annexe I). Cet engouement de l’homme pour l’automobile a
engendré une augmentation des émissions de CO2 dans l’atmosphère ainsi que celle de CO
ou hydrocarbure et qui engendre le réchauffement climatique de notre planète.
Des lois visant à réduire les pollutions émies par les voitures ont été établies en 1972; pour
résoudre à ce problème. La première norme de pollution concerne uniquement le monoxyde
de carbone et les hydrocarbures imbrûlés (tableau1 .annexe I).
A partir de cette date, des nouvelles normes sont apparues, d’une manière drastique, afin de
réduire sans cesse les émissions polluantes des voitures.
Les constructeurs ne cessent pas de chercher une solution pour l’améliorer de
fonctionnement de leur moteur afin d’assurer une bonne maitrise de la quantité de carburant
admis. Comme par exemple des l’introduction de l’électronique dans la commande du
moteur thermique (on parle ici de contrôle moteur à allumage commandé). Le couplage
entre le contrôle moteur et de solution technologie tels que les moteurs diesel à combustion
interne a permis de satisfaire aux exigences des normes de la pollution.
Cependant, même si les moteurs thermiques s’améliorent d’année en année, la
consommation ne diminue pas significativement. L’une des raisons principales est
l’accroissement de la demande de puissance au groupe motopropulseur pour les
performances demandées, la sécurité et le confort des usagers. Avec une part estimée à
32% des émissions globales de dioxyde de carbone (CO2) en 2004 [1], le secteur transport
est le premier contributeur au réchauffement de la planète.
La résolution du problème de la pollution est donc l’un des défis du èmeXXI siècle. La voiture
tout électrique semble à priori ne pas être une solution viable à court et moyen termes de
part sa faible autonomie et son temps important de recharge. Ainsi, depuis peu de temps,
des nouvelles structures alternatives aux voitures conventionnels qui relient les avantages
des propulsions thermique et électrique, sont mises en place. Ces nouvelles voitures sont
nommées voitures hybrides .
Ces voitures hybrides devraient permettre une réduction significative, d’une part des polluants
et d’autre part de la consommation, réduisant ainsi de taux de CO2.
Ce mémoire de fin d’étude a pour but d’effectuer une étude et conception de la voiture
hybride à moteur en série. Notre rapport se divise en trois grandes parties d’ou la première
partie se comporte deux points essentiels comme :
7
- l’étudier de pollution due à la combustion de carburant dans le moteur thermique.
- l’étude et la conception de voiture hybride à moteur en série.
Quant à la deuxième partie, l’étude est consacrée à la simulation de chaîne de
transmission sur la logiciel TOP SOLIDE de bloc de traction de cette voiture.
Enfin et dernière partie concerne à l’implication pédagogique. Ce module représente la
notion pour comprendre des "Moteurs thermiques à combustion interne". Il permet aux
apprenants d'acquérir la connaissance théorique et le fonctionnement de ce moteur.
8
VOITURE HYBRIDE
9
L’EXPLOITATION DES AUTOMOBILES A MOTEURS
THERMIQUES
10
1.1. VOITURE HYBRIDE : POURQUOI HYBRIDE ? De nos jours, presque toutes les voitures utilisent comme source d’énergie principale des
carburants d’hydrocarbures (essence ou gasoil). Ces carburants sont pour l’instant les seuls
à pouvoir être stockés facilement avec une densité énergétique volumique élevée
)litreKwh10(≈ . Pour propulser la voiture, une combustion entre carburant et l’air est
réalisée dans les moteurs thermiques. L’énergie calorifique produite par la combustion du
mélange gazeux carburé est transformée en une énergie mécanique. Un moteur parfait ne
dégagerait que de l’eau (H2O) et de dioxyde de carbone (CO2). Mais actuellement, la
combustion d’hydrocarbure dans les moteurs à combustion est telle qu’elle engendre des
émissions de polluants.
1.2 DIFFERENTES ORIGINES DES POLLUTIONS DEGAGEES PAR LES MOTEURS THERMIQUES DES AUTOMOBILES
1.2.1 Origines des pollutions ;
En général, nous avons trois type d’origines des pollutions dégagés par les moteurs
thermiques des automobiles:
a. Les gaz de ventilation de carter :
Ils proviennent des défauts d’étanchéité de la segmentation. Ils sont mélangés d’air carburé
et de gaz d’échappement. Ces gaz sont riches en hydrocarbures, ils étaient au débit rejeté
directement dans l’atmosphère, désormais un recyclage de gaz, soit 25% des hydrocarbures
émis.
b. Les pertes par évaporation :
Ces pertes sont produites principalement dûes aux moteurs à essence (perte d’essence :
7,5g/jour/véhicule). On trouve parmi elles les pertes en parcours routier, les pertes dûes à la
respiration du réservoir, et les pertes à l’arrêt à chaud. Toutefois cette perte provient du
remplissage par éclaboussures, évacuation et évaporation.
c. Les gaz d’échappement :
Ils constituent la source principale de pollution. Ces gaz d’échappement sont dus à la
réaction chimique du carburant avec l’air. Ces carburants sont composés d’un mélange
d’hydrocarbures provenant du pétrole et d’additifs destinés à améliorer les performances. En
effet de contact avec l’air, le carburant brûle, l’énergie qui est ensuite dégagée par la
combustion permet au véhicule de se déplacer. Les produits de la combustion, sont
expulsés sous forme de gaz par le pot d’échappement.
11
1.3.1. Emission des polluants.
En principe, lorsque la combustion est complète, à savoir que tout l’oxygène et le carburant
nécessaire à une réaction chimique de combustion équilibrée sont utilisés, les seuls rejets
seraient la vapeur d’eau (H2O) et du dioxyde de carbone (CO2).
CXHY + O2 → CO2 + H2O (1-1)
Mais en pratique, la combustion n’est jamais totale, ce qui multiplie le nombre de
composants gazeux ou solides rejetés par le moteur thermique dans l’atmosphère. En
théorie, l’équation générale de la combustion s’écrit par ;
CH X O nCO nCO nHO n (1-2)
l’équation (1- 2) ; on ne prend pas en compte de la présence d’azote dans l’air. Si on
considère la présence de l’azote dans la combustion, l’équation (1- 2) est devenue :
CH X O 3,77N nCO nCO nHO n n (1-3)
étant la richesse du mélange de carburant:
1 : mélange riche
1 : mélange pauvre
1 : mélange stœchiométrique.
Selon les conditions de mélange, les moteurs thermiques peuvent rejeter à l’échappement
des gaz ayant différentes compositions chimiques.
• Si le mélange pauvre ou stœchiométrique ! 1, on a un excès d’air. Les produits de
la combustion sont alors le CO2, H2O, et O2. n 0, n 0
• Si le mélange riche 1 la combustion est incomplet : l’oxygène O2 de l’air est
consommé complètement, et on voit l’apparition de CO et H2, n O
Par conséquent, une équation supplémentaire est celle de l’équation d’équilibre :
OHCOHCO 222 +⇔+ (1-4)
12
En général, le gaz rejeté par la combustion de carburant avec l’air est résumé par l’équation
suivante : 1
OHCOOHC 222YX +→+ +
yx
(1-5)
Dans cette équation de combustible, l’émission de dioxyde de carbone CO2 dépend de la
quantité de carburant brûlé, tandis que l’émission de polluant dépend de la qualité de
combustion. En général, le rejet d’émissions de CO2 est quasi-proportionnel à la
consommation de carburant à la hauteur de 2,5 kg de CO2 pour 1litre de carburant
consommé. Donc, les taux de dioxyde de carbone augmentent suivant la durée de
fonctionnement du moteur. C’est pourquoi, les constructeurs ont cherché un moyen pour
diminuer le fonctionnement de moteur thermique de la voiture hybride, et cela comme a
pour avantage de diminuer la pollution due au moteur thermique, et de même pour la
consommation de carburant.
1.4.1. Effets des polluants sur l’homme
L’air est indispensable à la vie, en effet l’homme respire vingt-quatre heures sur vingt-quatre.
L’action des polluants contenus dans l’air est donc permanente. Ces polluants peuvent
détruire la santé par différents cheminements : l’inhalation (voie respiratoire), l’ingestion (voie
digestive) et contact avec la peau (voie cutanée). Les moteurs thermiques dégagent des gaz
toxiques comme le monoxyde de carbone (CO), le dioxyde de carbone ( 2CO ) et les oxydes
d’azote ( XNO ). Ces émissions de gaz toxiques sont nocives à l’homme.
1 : L’hémoglobine est un protéide ferrugineux, constituant essentiel des globules rouges et intervenant dans la
respiration des vertèbres.
2 : les parties par million (ppm) : nombre de partie (en poids) d’une substance, pour chaque million de partie d’eau.
Unité fréquemment employée pour designer les concertations de polluantes. Les fortes concentrations sont exprimées en
pourcentage.
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La toxicité rejetée par les moteurs thermiques est bien connue, elle agit sur le système
respiratoire, entraînant des affections d’autres fonctions physiologiques. Les principaux
polluants pour l’homme sont les suivants :
- Le principal toxique, est le monoxyde de carbone (CO) bloquant l’hémoglobine1 et amenant
les vertiges, les nausées, et les pertes de conscience. Cette création est essentiellement due
à une combustion incomplète ou par manque d'oxygène.
–L’oxyde d’azote NOX, peu toxique mais précurseur du dioxyde d’azote ( 2NO ) qui altère les
structures pulmonaires et affaiblit les défenses de l’organisme.
Les limites environnementales demandent de ne pas dépasser 0,04 ppm2 pour le NO2.
- Les hydrocarbures (HC) imbrûlés provoquent des leucémies, des anomalies
chromosomiques et sont à l’origine de cancers des voies respiratoires. La création des HC
est du carburant imbrûlé résultant d'une combustion incomplète.1
- Les particules Diesel amènent un encrassement des conduits pulmonaires [2].
1.4.2. Effets des polluants sur l’environnement .
Les polluants émis par le trafic automobile sont principalement les oxydes d’azote. Ces
derniers provoquent des phénomènes catastrophiques pour l’environnement tels que la
contribution au phénomène des pluies acides, provoquant l’acidification des nappes d’eau
douce, la mort des forêts, d’où des réglementations sur les émissions automobiles ; les
polluants acides qui sont la cause de la dégradation accélérée de la corrosion des
monuments et édifices publics ainsi que le noircissement des constructions ; enfin la
réduction de la visibilité atmosphérique et de la clarté de l’atmosphère [2].
On trouve aussi le dioxyde carbone (CO2), qui est le responsable du réchauffement de la
planète. La masse de CO2 rejetée est directement proportionnelle à la quantité de carburant
consommé. Il y a donc une augmentation de l’effet de serre, d’où le phénomène de
réchauffement climatique [4].
PROBLEMES DE POLLUTION DUE AUX AUTOMOBILES .
Depuis 1970, les constructeurs ont fait des efforts considérables afin de diminuer la pollution
émise par les transports routiers. Ainsi, en Europe, plus d’une quinzaine de directives
établissant des normes de plus en plus strictes sur la qualité des carburants, sur la mesure
de la consommation et des émissions ont été instaurées.
14
Ces améliorations passent avant tout par un net progrès du contrôle moteur (amélioration
du rendement énergétique) et du « post-traitement » .Les techniques sont diverses et
variées, et dépendent du type de moteur employé. Par exemple, l’un des progrès de plus
fort de ces dernières années : le moteur diesel à injection directe appelé plus communément
dans le jargon automobile « Common rail ». Celui-ci permet d’envoyer le carburant (gasoil)
directement dans les cylindres sans passer par une préchambre à combustion (comme de
moteur en injection indirecte). Ce type de moteur permet de réduire la consommation (grâce
à l’injecteur directe), la pollution (haute pression).
Ces progrès considérables ont permis une réduction significative des pollutions, mais qu’en
est-il du dioxyde de carbone, principal gaz à «effet de serre » ? Certes les constructeurs ont
amélioré sans aucun doute de leurs moteurs.
La puissance demandée au groupe motopropulseur est donc de plus en plus importante. De
ce fait, comme le rendement du moteur thermique s’améliore mais qu’on lui en demande de
plus en plus, la consommation de carburant d’un voiture et le rejet d’émission de CO2
diminue faiblement.
Une de solution pour faire face aux problèmes évoqués serait de créer des voitures non
polluantes comme les voitures électriques. Malheureusement, ces derniers ont généralement
une autonomie très faible pour une recharge du stockeur d’énergie (batterie) très longue. Les
constructeurs préfèrent donc se diriger vers une technologie intermédiaire ; la voiture
hybride.
En combinant les moteurs thermiques et électriques on peut allier leurs avantages. D’une
part les parcours de longues distances sont envisageables (mode thermique) et d’autre part
la consommation et pollutions pourront être diminuées (mode thermique ou mixte).
15
Étude théorique de la voiture hybride
16
2.1.1 Généralité de voiture hybride
Les particules et les gaz à effet de serre ont toujours été un handicap écologique pour la
voiture conventionnelle (voitures équipées d’un moteur à combustion interne et une seule
source d’énergie le gazole ou essence), d’où l’idée de passer à l’hybridation en introduisant
une motorisation électrique en plus de la motorisation thermique. L’objectif étant de combiner
les avantages de la voiture électrique (zéro pollution en ville) et les prestations d’une voiture
thermique traditionnelle (en termes d’autonomie). Les voitures qui contiennent une source
électrique parmi leurs sources d’énergie sont appelées voitures hybrides. Les pluparts des
voitures hybrides sont équipées de deux types de motorisation. Le principal objectif de la
conception de la voiture hybride est d’économiser l’énergie. L’ajout d’un moteur électrique à
un moteur thermique conventionnel à essence ou au gazole permet d’économiser de
l’énergie de plusieurs façons de la mode de fonctionnement.
Il existe des différentes architectures. Elles présentent les potentialités suivantes :
• Une baisse des émissions polluantes par le choix d’une motorisation thermique plus
petite ainsi que par des conditions de fonctionnement plus favorable à la mise en
œuvre d’un post-traitement ;
• Une baisse de la consommation par un accroissement du rendement de
fonctionnement de ces voitures. Cette dernière potentialité sera plus difficile à
concrétiser car elle nécessite une optimisation de l’ensemble des organes du
véhicule pour une utilisation en mode hybride.
2.1.2 Concept de voiture hybride .
Un peu historique ….la voiture hybride est presque aussi vieille que l’automobile à moteur
thermique. Des prototypes furent crées non pour abaisser la consommation et la pollution
mais dans l’optique d’aide le moteur thermique a fourni des performances correctes ou pour
augmenter l’autonomie d’une voiture électrique. Au début du émeXX siècle, la technologie
électrique était plus en plus avancée que celle homologie thermique. Les premières voitures
hybrides montrées au grand public sont les voitures développées par l’établissement Pieper
de Liege (Belgique) et par la compagnie de voitures électrique de Vendovelli et Priestly
(France) en 1899 au salon de paris, soit déjà plus d’un siècle. En plus d’être les précurseurs
des voitures hybrides, ils sont également les premiers avoir mis en place un démarré
électrique sur une automobile.
17
Malheureusement, les voitures hybrides qui étaient difficiles à contrôler, ont été rapidement
concurrencées par les moteurs en allumage commandé [10]. Les progrès en électronique
dans le milieu des années 60 ont poussé les chercheurs à reconsidérer l’utilisation des
voitures hybrides. Mais par manque de pratique et de recul sur cette technologie, les
chercheurs ont préfèrés de s’orienter vers la voiture électrique avec batteries et machine
électrique modernes.
Vers les années 1990, lorsqu’il est clair pour les constructeurs que la voiture électrique ne
verra jamais son objectif d’atteindre une densité volumique d’énergie comparable au voiture
traditionnelle, la voiture hybride est remise à l’ordre du jour. Tous les constructeurs (ou
presque) se mettent alors en tête de construire des prototypes permettant de réduire la
consommation et la pollution. On peut citer Dodge aux U S A avec l’Intrepid ESX 1, 2 et 3 ou
encore Renauld en France avec la Next ainsi que Toyota au Japon….
Mais toutefois, les constructeurs se heurtent à un problème majeur ; comment convaincre les
consommateurs d’acheter une voiture ayant les mêmes performances pour un prix parfois
double d’une voiture traditionnelle ?
Le Japon, est un seul pays qui semble néanmoins avoir un engouement certain pour tout type
de voiture nouveau, de Japon. Toyota a en effet jugé dès 1985 que le futur de l’automobile
passerait par l’électronique et l’électricité embarquée avec une voiture hybride. En 1989, il
ouvre un centre de recherche dédié. Après des longues années d’études, la Prius est
présentée et commercialisée au public japonais en 1997. Aujourd’hui, elle se vend
internationalement [10].
Définition - la condition nécessaire pour qu’une voiture soit qualifiée d’hybride est
d’avoir deux sources des énergies natures de différentes. Or comme la précise [9], cette
définition n’est pas appropriée car une voiture traditionnelle peut être assimilée à une voiture
hybride (batterie et réservoir de carburant).
La définition qui semble la plus appropriée est celle exposée par l’International Energy
Agency (IEA) dans un rapport technique [13] : « Une voiture hybride a un groupe
motopropulseur dans lequel l’énergie peut être transmise par au moins deux dispositifs de
conversion d’énergie différents (exemple du moteur à combustion interne, de la turbine à gaz
,du moteur Stirling, machine électrique ,du machine hydraulique, de la pile à combustible…)
tirant l’énergies d’au moins deux dispositifs de stockage d’énergie différents (exemple du
réservoir à carburant, de la batterie, du volant d’inertie ,du supercondensateur,…). Au moins
un des flux, le long duquel l’énergie peut circuler d’un dispositif de stockage d’énergie aux
roues est réversible, tandis qu’au moins un flux est irréversible. Dans une voiture hybride de
dispositif de stockage d’énergie réversible fournit l’énergie électrique ».
18
Cette définition a néanmoins un point faible. Elle exclue les solutions intermédiaires où un
dispositif de conversion d’énergie ne participe pas à la traction de la voiture, avec toutefois la
possibilité d’avoir d’autres fonctionnalités contribuant à une réduction de la consommation
(exemple du micro-hybrid ou Stop/Start hybrid).
2.2 Présentation de voiture hybride.
Dans ce rapport, nous nous sommes concentrés sur les voitures hybrides, et plus
précisément sur ceux équipées d’un moteur thermique avec réservoir de carburant et d’un
moteur électrique avec batteries (ou tout autre stockeur d’énergie électrique).
2.2.1 Classifications des voitures hybrides.
Plusieurs possibilités sont envisageables pour classer les différents types des voitures
hybrides. On peut cependant les séparer en deux catégories. :
• Hybridation de la voiture (rapport entre la puissance du moteur thermique par
rapport à la puissance du moteur électrique) ;
• Architecture employée.
Cette classification est surtout utilisée par les constructeurs et équipementiers. Elle ne prend
pas en compte l’architecture de la voiture mais plutôt les fonctionnalités qu’elle peut réaliser
en fonction de son taux hybridation. Cette classification se distingue par quatre niveaux : le
micro hybrid, le mild hybrid, le full hybrid et le plug-in hybrid. Les fonctions et différences de
chacun de ces hybrides sont définies dans le tableau (2-1) ci-après.
19
Tableau 2-1 : classifications des voitures hybrides par rapport à son niveau d’hybridation.
Type
-Arrêt du moteur thermique(Mth):
A chaque fois que la voiture est à l’arrêt, le Mth
est stoppé afin de moins consommer
-Redémarrage du Mth :
active la pédale d’accélération ;
-Accélération :
démarrage de courtes accélérations ;
supplémentaire de la ME peut être fourmi pour
pallier les 3cyclismes Mth
hybrid est que l’altermo-démarreur intégré est
remplacé par une ME séparée ; la ME propulse
rarement le véhicule seul, elle assiste plutôt le
Mth ;
les batteries sont plus puissance et donc jouent
un rôle plus important dans le fonctionnement du
véhicule.
puissante ;
particulièrement pour une conduite en ville ; Mth
peut être plus petit car le ME le est la plus grande
puissance et peut donc fournir un plus grand
couple dans une gamme de régime donné. Le
système de commande est plus complexe afin
d’optimiser la gestion de puissance.
30 à 40 %
Toyota Prius
Ford Escape
20
Plug-in
hybrid
niveau de la batterie afin d recharge celle-ci par
une source extérieure (réseau)
considérablement de plus grandes puissances ;
Le système de commande doit empêcher de
recharger la batterie tant que celle-ci n’a pas
atteint un niveau minimal. Si celle-ci est atteinte
alors on passe en fonctionnement Full hybrid
Aucun
carburant
ne
consomme
hybrid
Gruau
Microbus
Dassault-
Heuliez
Cleanova
3 : Les acyclismes est le fonctionnement des moteurs thermiques à combustion interne se caractérise par le non uniformité de rotation du vilebrequin et du couple appliqué sur l’arbre.
21
b. Classification par l’architecture employée .
Cette classification est la plus utilisée et la plus détaillée. Elle permet de mettre en évidence
les couplages mis en jeu. Le choix dans ce rapport s’est porté sur trois principales
appellations:
Les voitures hybrides en dual (mixte).
Le tableau (2-2) est une aide fonctionnelle apporté au lecteur.
Tableau 2. 2. Représentation des composants pour les diverses architectures hybrides
Composantes synoptique Composantes Synoptique
3
3 DC (Directe Courant) : Electricité qui circule de manière continue dans une direction, contrairement au
courant alternatif. AC (alternatif curant) : courant électrique qui inverse sa polarité périodiquement (contrairement au courant continu).
C M
AC/DC 3
22
La voiture hybride à moteurs en série :
L’hybride série est de plus simple des voitures hybrides. Ce type de voiture équipe d’une
propulsion intégralement électrique qui peut être assurée une ou plusieurs moteurs
électriques. L’énergie provient généralement d’une batterie, d’un groupe électrogène (moteur
thermique, génératrice électrique) ou les deux simultanément. Dans cette structure, le
groupe électrogène fournit généralement une puissance moyenne. Les pics puissance sont
quant à eux assurés par le dispositif de stockage d’énergie. En effet, le moteur thermique qui
n’est pas couple directement aux roues peut travailler dans une plage de fonctionnement
optimale. Ceci permet de réduire la consommation et la pollution.
L’architecture d’une voiture hybride à moteur en série consiste à augmenter l’autonomie
d’une voiture électrique par l’ajout d’un groupe électrogène (moteur thermique et génératrice
électrique). Cette architecture nécessite un moteur électrique relativement puissant car il
assure à lui seul l’intégralité de la propulsion. Le taux d’hybridasation est donc généralement
élevé.
Figure 2-1; Architecture d’une voiture hybride à moteur en série
23
La voiture hybride à moteur en parallèle :
Dans une structure hybride parallèle, le moteur thermique fournit sa puissance aux roues
comme pour une voiture traditionnelle. Par contre, c’est le moteur électrique qui recharge la
batterie. Le moteur thermique est mécaniquement couplé à un moteur électrique qui permet
de l’assister.
La particularité de son couplage lui donne aussi le nom d’hybride parallèle addition le
couples ou addition de vitesses selon la structure et la conception du voiture.
La structure en addition de couple additionne les couples de la moteur électrique et du
moteur thermique afin de propulser la voiture (ou pour recharge les batteries). Cette
connexion peut se faire par courroies, poulies, ou engrenages (Technologie nommée hybride
parallèle double arbre). Le moteur électrique peut être également placé sur l’arbre reliant la
transmission au moteur thermique (Technologie appelle parallèle simple arbre) [9].
La structure addition de vitesse additionne les vitesses du moteur thermique et du moteur
électrique. La vitesse résultante est liée à la transmission. Ce type de couplage permet
d’avoir une flexibilité importante au niveau de vitesse. Cette structure est principalement
avantageuse pour les moteurs ou le rendement énergétique est plus sensible aux vitesses
qu’aux couples. La connexion est réalisée mécaniquement par un train planétaire (appelé
également train épicycloïdal), ou électriquement. L’architecture présentée ci-dessous (figure
2-2) possède une transmission mécanique (embrayage et boite des vitesses) placée en aval
du couplage mécanique. Selon le choix de l’emplacement de cette connexion les modes de
fonctionnement est différent (Tableau 2- 3) [9]
Figure 2-2 ; Architecture d’une voiture hybride à moteur en parallèle :
24
Les voitures hybrides en dual (mixte ) :
La structure hybride en dual (mixte) n’est rien d’autre qu’un hybride parallèle spécifique. Mais
de par sa complexité, une dissociation entre cette architecture et la structure hybride
parallèle parait judicieuse. Cette architecture résulte d’une combinaison entre l’hybridation
parallèle à addition de couples et addition de vitesses. Là encore diverses possibilités de
conceptions existent, la plus connue étant celle utilisée par la constructeur Toyota. Le
premier moteur et le second réalisent respectivement l’addition de vitesses et l’addition de
couples [10].
Figure 2-3 ; architecture d’une voiture hybride mixte (dual) ;
A basse vitesse, afin de ne pas faire fonctionner le moteur thermique dans une plage de
fonctionnement à mauvaise rendement, le mode tout électrique est requis. Lors de la forte
accélération ou à haute vitesse, le moteur thermique est allumé afin de fournir une puissance
supplémentaire. Ce type de structure est également appelé hybride à dérivation de
puissance car l’énergie mécanique est prélevée sur une machine et fournie à une autre [10].
La Synthèse des diverses architectures est présentée sur le tableau (2-3) et nous montre les
avantages et inconvénients des différentes voitures hybrides selon l’architecture.
25
Type d’hybride
Avantages
Inconvénients
Série
Bon rendement énergétique à la faible vitesse (mode tout électrique en zone urbaine). Très bon contrôle du moteur thermique ; Choix du moteur thermique : faible ou forte puissance Bonnes performances dynamiques de la machine électrique de traction (confort d’utilisation). Le groupe électrogène n’est pas nécessairement placé à cote de la machine électrique de traction : degré de liberté supplémentaire pour placer les divers composants, Gestion relativement facile (par rapport autres architectures)
Faible rendement énergétique de la chaine cinématique globale (zone extra- urbaine) : Utilisation de trois machines dont une (la machine électrique de traction) est au moins de forte puissance (encombrement maximal) ; Mode tout thermique impossible
Parallèle
Bon rendement énergétique : Utilisation d’une seule machine électrique ; Mode tout thermique et tout électrique (dans le certain cas possible) ; Transmission peut modifiée (dans certaine cas) par rapport au voiture conventionnel ; Fourniture d’un couple supplémentaire de la machine électrique pour pallier les a cyclismes du moteur thermique
Fonctionnement du moteur thermique plus accru : dynamiques mauvaises ; Pas de mode tout électrique dans certains cas bonne l’alternodemarreur ; Couplage mécanique complexe ; Gestion délicate
Selon l’emplacement de l’embrayage (avant ou arrière le moteur électrique) : Maintien ou rupture de la motricité lors des changements de rapport.
Dual ou (mixte)
Bon rendement énergétique ; Très bonne répartition de l’énergie ; Souplesse du véhicule : tous les modes autorisés (thermique, électrique, série, parallèle, ou série-parallèle)
Utilisation de 3 machines ou 2machines ; Couplage très complexe ; Gestion très délicate.
26
2.2.2 Principaux modes de fonctionnement des voitures hybrides .
Les voitures hybrides disposant de plusieurs sources d’énergie pour assurer leur propulsion.
On distingue trois principaux modes de fonctionnement possibles. D’une façon très générale,
on peut les résumer de la manière suivante :
a) le mode thermique pur :
Correspond à une propulsion intégralement assurée par le moteur thermique. Les
performances en termes de consommation et de pollution sont alors identiques à celle d’une
voiture conventionnelle (voiture à propulsion thermique).
b) le mode électrique pur :
Ce mode correspond à une propulsion intégralement assurée par le moteur électrique. La
voiture est alors dite ZEV (Zéro Emission Vehicle) et les performances en termes de
dynamique et d’agrément de conduite sont similaires à celle d’une voiture électrique. Ce
mode conduit à plus ou moins long terme à la décharge des batteries.
c) le mode hybride
Correspond à une propulsion assurée par les deux moteurs simultanément. Plusieurs cas de
figures sont envisageables. En traction, l’énergie nécessaire à la propulsion de la voiture
peut être délivrée soit par les deux moteurs, soit par le moteur thermique seul. Le moteur
électrique est alors utilisé pour recharger les batteries en roulant. En freinage, le moteur
électrique récupère une partie de l’énergie cinétique du véhicule ainsi qu’un supplément
délivré par le moteur thermique.
Une fois l’architecture sélectionnée, le choix des technologies et le dimensionnement des
composants sont essentiels car ils déterminent non seulement les performances dynamiques
du véhicule (accélération maximale, vitesse maximale, etc.) mais aussi la consommation
moyenne du véhicule et ses émissions de polluants. Généralement, ces choix sont des
compromis entre performances dynamiques, consommations et émissions, et bien sur, coût
de fabrication.
Cependant, tous ces choix ne peuvent être effectués uniquement au regard de critères
purement techniques. Les attentes des consommateurs, les différentes utilisations possibles
de la voiture hybride sont également des facteurs à prendre en compte dans la
problématique générale des voitures hybrides.
27
Tableau 2-4: Les différents modes de fonctionnement du véhicule hybride
Mode électrique pur
Freinage du véhicule
Freinage récupératif en mode électrique pur : L’énergie cinétique du véhicule est récupérée par le moteur électrique pour recharger les batteries.
Traction du Véhicule
Traction en mode électrique pur : Le moteur électrique fournit l’intégralité de l’énergie nécessaire à la propulsion du véhicule.
Mode thermique pur
Traction du véhicule
Traction en mode thermique pur : Le moteur thermique fournit l’intégralité de l’énergie nécessaire à la propulsion du véhicule.
Freinage du véhicule
Freinage en mode thermique pur : Le moteur thermique n'étant pas réversible, l'intégralité de l'énergie cinétique du véhicule est dissipée sous forme de chaleur dans les freins.
Mode Hybride
Traction du véhicule
Traction du véhicule en mode hybride : Les deux moteurs participent à la propulsion du véhicule.
Freinage récupératif en mode hybride : L’énergie cinétique du véhicule et l’énergie produite par le moteur thermique sont récupérées par le moteur électrique afin de recharger les batteries.
28
2.2.3 Avantages et inconvénients des voitures hybrides .
Les systèmes hybrides font de plus en plus parler d’eux. En effet, ils se répandent petit à
petit sur le marché commercial. Nous trouvons certes de nombreux avantages, mais
quelques points restent tout de même améliorer.
Les avantages sont divers. On trouve le point le plus important, qui est l’économie de
carburant, ce qui nous même aux faibles émissions en ce qui concerne la pollution, mais on
trouve aussi comme point positif une conduite agréable et performance.
On se demande, de nos jours, combien de réserve de pétrole dispose-t-on ? La seule
réponse à donner est qu’il faut gérer la consommation de carburant. Les systèmes hybrides
jouent un rôle primordial dans cette perspective. En effet, cette technologie combine
intelligemment les moteurs électriques et thermiques. On a alors une consommation de
carburant faible. Prenons un exemple : une voiture hybride X aurait la puissance d’un calibre
supérieur tout en consommant comme une cylindrée de taille inferieure. Le conducteur peut
aussi gérer sa propre consommation grâces à la combinaison des moteurs (conduit basse
de vitesse usage de moteur électrique, donc pas de pollution).
Les hybrides appartiennent à la catégorie la plus basse des machines polluantes. On a donc
affaire à un système propre, qui pourrait résoudre de nombreux problèmes comme la
pollution. Les émissions de CO2 diminuent fortement avec une telle technologie, ainsi que les
autres substances contenues dans les gaz d’échappement. La combustion est elle aussi
plus efficace et des éléments purifient ces gaz d’échappement.
Les systèmes hybrides ont une très bonne autonomie. Les batteries se rechargent lors de
l’utilisation du moteur thermique. En effet, lorsque la voiture fonctionne sur moteur en
essence, ce dernier produit de l’énergie qui passe ensuite dans la batterie principale par
biais d’un générateur. Le système de freinage veille aussi à la recharge car une partie de
l’énergie cinétique est transformée en énergie électrique. La conduite est agréable avec une
accélération linéaire et puissante. On assiste aussi à une réduction du bruit, qui en fait des
voitures quasi -silencieuse. Il ne faut pas non plus d’oublier la souplesse au démarrage
grâce à l’utilisation du moteur électrique.
Pour finir, le crédit d’impôt pour l’achat d’une voiture propre va augmenter, tandis que les
propriétaires d’automobiles très polluantes paieront leur carte grise plus chère.
Le point majeur des inconvénients, ou plutôt point à améliorer, est le prix d’une voiture
hybride. Celui-ci reste bien élevé comparé aux automobiles « Classiques ».
29
Cependant on pourrait assimiler cette dépense à un effort financier qui sera compensé par
l’économie en consommation de carburant.
L’utilisation de la pièce supplémentaires, comme la batterie, hybride en font une voiture plus
lourde. Hors de la ville, le moteur électrique est peu ou moins utilisé. Enfin, le bruit quasi-
silencieux, émis par une voiture hybride, peut s’avérer dangereux pour les piétons qui
n’entendront arriver d’une voiture.
30
2.2.4 PERSPECTIVE DE VOITURE HYBRIDE.
La voiture hybride a considérablement évolué lors de ces dernières années. Mais afin de
baisser les coûts de production, il reste encore de nombreux progrès et défis à réaliser
(batterie par exemple). Beaucoup de prototypes ont été crées mais aucune architecture ne
s’est réellement démarquée. En outre, le développement et les ventes des voitures hybrides
sont très différents selon les pays, différences qui sont notamment dûs aux particularités de
chaque marché (prix de carburant à la pompe par exemple).
Au Japon, pays précurseur des voitures hybrides, l’absence des voitures diesels et la
présence importante des voitures légères en zone urbaine favorise l’implantation de
l’hybride. Cela est d’autant plus important que les japonais sont friends de nouvelles
technologies. C’est pourquoi les trois plus gros constructeurs Japonais, Toyota avec Prius,
Nissan avec la Tino, et Honda avec la Insight et la Civic IMA ont mis au point des voitures
hybrides très rapidement sur le marché des automobiles.
Aux Etats-Unis, la tendance du marché est fortement dominée par les grosses voitures (pick-
up, camionnette, tout-terrain 4x4…). Ces véhicules gros consommateurs de carburant vont à
l’encontre des normes (des plus en plus strictes) imposées par le gouvernement américain.
L’hybride peut donc réussir à trouver un compromis entre performance et concurrence avec
diesel mais l’essence à une meilleure image dans ce pays. Les ventes aux Etats-Unis vont
de l’alterno-démarreur (pick-up GMC, Sierra de General Motors par exemple) à de fortes
hybridations comme Ford avec sont Escape, un 4x4 sportif, réalisé en partenariat avec
Toyota [10].
L’Europe quand à elle, dispose des parcs d’automobile fortement équipé de moteur diesel.
Depuis de nombreuses années, constructeurs et équipementiers ont consacré une part
importante dans le type de moteurs. Il en résulte des voitures ayant de bons dynamismes
pour une consommation et émission de pollutions tout à fait dans les normes. Pour que la
voiture hybride se vende en Europe, il faudra qu’il soit aussi performant voir plus qu’une
voiture diesel, et avec une consommation moindre. Les constructeurs européens ont par
conséquent une démarche plus progressive. Dans un premier temps, l’hybridation passera
par des voitures faiblement hybrides (exemple de la Citroën C3 Stop & Start à technologie
essence) avant de passer à de plus forts taux d’hybridation en 2010 (exemple de la Peugeot
307 et Citroën C4 hybride Hdi à technologie diesel). Ceci permet d’une part d’utiliser une
voiture qui existe déjà et de la modifier sans changement radical du bloc moteur, et d’autre
part de tester le client à l’achat.
31
Mais lorsque l’on sait que plus de 95% de la population Malgache, la distance moyenne
parcourue par jour est comprise entre 7,6 et 24,3 kms par jour, seule la voie du plug-in
hybrid mériterait un réel soutien. Un automobiliste quelconque pourrait ainsi rouler en tout
électrique pour la plupart de ses courts trajets. Les batteries pourront être, pour leur part
rechargé au domicile ou sur des bornes de recharges appropriées. Si le conducteur utilise la
voiture pour des longs trajets, un groupe électrogène équipé d’un moteur thermique ou d’une
pile à combustible, pourra recharger les batteries [11]. D’ailleurs, une nouvelle tendance des
constructeurs vise à développer ce type de voiture. Volvo cars vient par exemple de lancer
sur le marché des automobiles américain la Recharge Concept capable de fonctionner sur
batteries pendant 100 km.
En conclusion, nous pouvons donc dire que la voiture hybride occupe une place très
importante dans l’amélioration du réchauffement climatique. La baisser de la consommation
de carburant des voitures permettrait en outre d’être moins en moins dépendant vis-à-vis du
carburant. Mais ceci ne pourra se faire que si les gouvernements et constructeurs
interagissent ensembles. Que ce soit en passant par des aides financières, par de la
médiatisation ou autres, les Etats devront tout faire par inciter les consommateurs à réduire
leur déplacement personnel à acheter ces nouveaux voitures. Les constructeurs devront
pour leurs parts redoubler d’efforts pour créer des technologies toujours plus innovantes et
attrayantes.
32
EN SERIE
2.3.1. Présentation de voiture hybride à moteur en série .
L’Architecture étudiée est une voiture hybride à moteurs en série dont la traction est assurée
par un moteur électrique. Depuis quelque temps, le moteur électrique avec un différentiel
mécanique avait remplacée par deux moteurs électriques (un moteur pour chaque roue). La
prise en compte de virage qui nécessite de faire tourner la roue extérieure plus vite que celle
se trouve à l’intérieure du virage ne se fait plus alors par le biais du différencie mécanique,
mais grâce aux ordres de commandes envoyés sur les moteurs électriques. Nous nous
limiterons dans ce mémoire au cas simple d’un seul moteur électrique avec un différentiel
mécanique.
Figure 2- 5 : chaine cinématique de la voiture hybride à moteurs en série.
33
2.3.2. Principe de fonctionnement de la voiture hybride à moteurs en série ;
Ce type de voiture équipé d’une propulsion intégralement électrique est assuré par un
moteur électrique. Le moteur thermique est utilisé pour fournir de courant électrique par
intermédiaire d’un générateur électrique. Le moteur électrique est alimenté soit par des
batteries, soit par une génératrice entraînée par le moteur thermique, soit par un mélange
des deux.
− Comment fonctionne une voiture hybride en série ?
Le mode électrique. Se présente mode l’avantage de permettre un fonctionnement du
voiture sans émission locale. Dans ce cas, la voiture est entrainée par le moteur électrique
alimenté par les batteries. Afin de préserver l’autonomie de la batterie, la vitesse est limitée
dans ce mode de fonctionnement.
Le mode hybride : le flux d’énergétiques diffère selon les conditions usagées.
Pour des fortes sollicitations , L’énergie de traction fournie au moteur électrique
provient à la fois des batteries et du moteur thermique via générateur. Pour les
phases de démarrage, les batteries sont fortement sollicitées.
Pour les sollicitations moyennes (vitesse constantes sur plat), l’énergie fournie par
le moteur thermique est distribuée (selon les conditions des fonctionnements) entre
les batteries (qui sont rechargées) et les roues.
En phase de freinage.
Une partie de l’énergie mécanique des roues est récupérée. Cette énergie vient de s’ajouter
à l’énergie fournie par le moteur thermique pour recharger les batteries.
A l’arrêt.
Le moteur thermique ne fonctionne pas (économie de carburant). Quand le conducteur
accélère, le moteur électrique se met en route.
2.3.3. Flexibilité de la chaîne cinématique hybride série.
Une chaîne cinématique hybride en série est caractérisée par l’absence de transmission
mécanique entre le moteur principal (moteur thermique) et le moteur de propulsion. Cela
se traduit par une grande liberté dans la conception des véhicules. Les organes de la
chaîne cinématique peuvent être disposés peu près indépendamment les uns des
autres, notamment pour optimiser la répartition des poids et l’espace des passagers.
Pour la suite de l’étude, nous considérons les blocs du système suivants (figure 2-6) :
Un bloc d’un générateur : groupe électrogène constitué d’un moteur thermique, d’un
générateur électrique et d’un convertisseur électrique ;
Un bloc de traction constitué d’un convertisseur électrique, d’un moteur électrique de
traction et d’une traction mécanique ;
Bloc de stockage de l’énergie....
34
Figure 2-6 : Schéma de principe de fonctionnement de la voiture hybride série
2.4. Modélisation des composants de la partie opérative de voitures
hybrides en série
2.4.1. Modélisation du groupe électrogène
Le bloc de générateur électrique se compose d’un moteur thermique et d’une génératrice
électrique. L’énergie électrique résultant du transfert énergétique est ensuite gérée au
moyen d’un convertisseur de puissance.
Moteur thermique - le moteur thermique convertit de manière unidirectionnelle une énergie
chimique en énergie mécanique. L’énergie chimique provient d’un réservoir rempli
généralement par du gasoil ou de l’essence. L’énergie mécanique résultant de la conversion
entraîne dans les voitures traditionnelles, l’alternateur électrique et la traction de la voiture.
Dans la plupart des voitures hybrides, les chercheurs utilisent des moteurs classiques à
combustion interne et à cycle alternatif : moteur à allumage commandé (essence) ou
allumage par compression (diesel). Notons que d’autres technologies (moteur Stirling,
turbine à gaz, moteur de Rankine…) peuvent être utilisées [5] mais leurs utilisations sont
minimes dans le domaine hybride. Deux types de moteur thermique à combustion interne et
cycle alternatif peuvent être utilisés : le moteur à deux temps et le moteur à quatre temps.
Sans rentrer dans les détails, nous pouvons dire que le moteur à deux temps a été
Bloc de
stockage de
l’énergie
Bloc de traction
35
abandonné au profit du quatre temps en raison d’une consommation élevée et d’une fumée
bleuâtre à l’échappement.
La générateur électrique est utilisée pour convertir l’énergie mécanique du moteur thermique
en énergie électrique. Ce type de générateur est synchrone triphasé à aimant permanent. En
effet, cette machine a pour avantage d’avoir une densité massique de puissance élevée
avec toutefois un coût de fabrication prohibitif vis-à-vis de la machine asynchrone [12].
2.4.2. Modélisation de traction de la voiture
Le système de traction est composé d’un moteur électrique alimenté par un convertisseur
électrique. Un différentiel mécanique est utilisé pour repartir la puissance aux roues. Un
réducteur permet au couple le différentiel du moteur électrique.
a) Moteur électrique de traction
Très utilisé, depuis plus d’un siècle, le moteur électrique est souple, silencieux, ne pollue pas
et s’adapte à toutes les situations.
De manière spécifique, le choix de moteur électrique de traction doit répondre aux critères
suivants :
il doit pouvoir tourner et freiner dans les deux sens de rotation ;
il doit posséder un couple important à bas régime, ainsi qu’un bon rendement.
Pour ces raisons et en fonction du type de véhicule fabriqué, les constructeurs orientent
leurs choix sur :
• le moteur synchrone ;
• Le moteur asynchrone.
Dans notre application, nous choisissons une machine synchrone triphasée en aimant
permanant comme un moteur de traction de cette voiture. Ces machines sont associées à
des onduleurs de courant, ce qui permet de fixer le couple moteur moyen avec un minimum
de courant.
Le principe de fonctionnement du moteur à courant alternatif
L’aimant tournant produit un champ électromagnétique qui traverse un cylindre métallique.
Les génératrices du cylindre placées dans le champ se comportent comme des brins actifs
(AB et CD).
Elles sont parcourues par un courant proportionnel à F et engendrent des forces
perpendiculaires qui constituent le couple. Ce couple étant proportionnel au courant, plus il y
a de courant, plus la vitesse sera grande. Une voiture a besoin d’un couple élevé à basses
vitesses afin de pouvoir accélérer et d’un couple moins important à des vitesses de croisière. 2On constate que le cylindre suive la rotation de l’aimant avec un léger décalage appelé
glissement.
36
Moteur synchrone triphasé
En disposant trois bobines sur le stator, on réalise le moteur synchrone triphasé adapté aux
grandes puissances et utilisé en traction électrique.
Figure.2-8 : moteur synchrone triphasé (principe)
Par combinaisons des connections, on utilise deux possibilités :
- montage étoile ;
- montage triangle.
Figure. 2-9 : couplage de moteur électrique triphasé
37
b) L’électronique de commande Présentation de L’onduleur ,
L’onduleur est un convertisseur continu-alternatif, qui permet d’obtenir trois phases de
courant alternatif, décalées de 2p/3 (120°), de fré quence variable de zéro à 50 Hz à partir
d’une courante batterie. Cette technologie permet d’adapter les moteurs alternatifs fabriqués
en grande série, qui sont simples, robustes, et peu onéreux. Ce type de convertisseur fait varié uniquement la fréquence et permet d’obtenir ainsi une
vitesse de rotation variable. Ce procédé possède une puissance et un rendement correct à
tous les régimes. (La vitesse de rotation d’un moteur à courant alternatif est fixée par la
fréquence ; la tension fixe le couple).
NB : Avec l’évolution de ce type de traction, la boîte de vitesse disparaît. Un réducteur suffit.
Fig 2-10 ; Principe de fonctionnement de l'onduleur
c) Transmission mécanique de la voiture hybride à moteur en série
La transmission mécanique des motorisations se de compose en un réducteur, un différentiel
mécanique et en un roue. Le réducteur vise à adapter le couple de sortie au couple résistant.
Sur une voiture, le couple résistant dépend de plusieurs paramètres : poids de voiture, pente
à gravir, résistance au roulement des pneumatiques… Le réducteur doit être choisi de
manière à ce que le couple transmissible soit toujours supérieur au couple résistance. Une
machine électrique peut développer son couple maximal à bas régime. Aucune adaptation
38
ne doit donc être faite au démarrage de la voiture. En outre, sa large plage de
fonctionnement permet de n’utiliser qu’un seul réducteur à rapport constant. Le coût à l’achat
des moteurs lie au couple maximal, on aura tout intérêt à surmultiplier le couple entre le
moteur et les roues [7]. Les équations associées aux réducteurs sont :
#$%&' () · +,-. · $/& 0%&' () · 0'122 3 (2 -1)
Avec 4)-5 +%&' respectivement le rapport de transmission et rendement du réducteur.
$/& -5 0'122: Respectivement la couple de moteur électrique et la vitesse de rotation de la
différentielle
Un différentiel mécanique est un train planétaire particulier. Il permet de repartir la puissance
aux roues tout en permettant de tourner les roues à des vitesses différentes en virage. La
puissance développée sur chaque roue est différente quand la voiture tourne. Toutefois la
puissance appliquée sur le châssis de la voiture reste identique. Si on parle de l’hypothèse
que la voiture roule en ligne droite et que l’on néglige le contact entre les roues et la
chaussée, le différentiel mécanique n’a aucune utilité d’être présenté. La modélisation du
différentiel mécanique avec les roues de la voiture peut donc s’apparenter à une seule roue
équivalente.
Notons qu’une prise en compte du rendement +'122 est nécessaire car la roue est l’élément
qui lie la route au châssis de la voiture. Elle transforme le mouvement de rotation du
différentiel en mouvement de translation du véhicule et peut être définie par les équations
suivantes.
# $%&' 4%67& · 8%67&9%&' 4%67& · 0'122 3 (2- 2)
Avec 4%67& le rayon dynamique de la roue.
Ces deux transformations d’énergie sont de nature mécanique. Leur modélisation se fera par
un élément de conversion mécanique unique ayant pour équations :
:8%67& +; 45<=>?@ $/& 0%&' 1=@A<=>?@ BC&D
3 (2- 3)
BC&D : vitesse maximal de la voiture
La valeur de ce rendement n’est vraie que pour un seul transfert de puissance d’une source
génératrice vers une source réceptrice. Le rendement doit donc être nécessairement
39
différent tandis que le transfert de puissance est positif ou négatif. Remarquons le fait que la
loi de contact pneu/route a été négligé pour cette modélisation.
40
TRANSMISSIONS MECANIQUES.
Considérons maintenant les caractéristiques mécaniques requises pour l'entraînement d’une
voiture roulant. L'effort total de résistance à l'avancement RF que doit vaincre le système de
motorisation, afin d'accélérer, avec une intensitéγ, le véhicule, de masse totale M comprend
plusieurs composantes définies ci-après :
rF : Force total de résistance à l'avancement ;
:Froul Force de résistance au roulement ;
:Faero Force de résistance aérodynamique ;
:Fpente Force de résistance du à la pente.
M et γ respectivement la masse totale et l’intensité de l’accélération de la voiture
a. Calcul de résistance au roulement : :Froul
La force de résistance au roulement :Froul liée au coefficient de roulement des pneus.
Pratiquement, avec des pneumatiques modernes à très faible résistance au roulement avec
une pression de gonflage comprise entre 1,8 et 2,2 [daN/cm²], le coefficient f de résistance
au roulement vaut environ 100 10G (environ 150 10G pour des pneus classiques) [8].
Ce coefficient est sensiblement constant avec la charge. Pratiquement, il dépend de la
largeur des pneus et du revêtement routier. Si les pneus avants sont différents des pneus
arrières ou, simplement, si leurs pressions de gonflage sont différentes, l'effort de résistance
au roulement total est la somme coefficient de résistance au roulement de roue arrière et de
roue avant.
Dans notre application, on suppose que les pneus est même pression de gonflage.
On prend f 0,15 de masse en charge de voiture M 900 Kg.
g.MfFroul ⋅= (2 -5)
Avec g est l'accélération de la pesanteur (g = 9,81 m.NG).
[ ]N1325FR =
41
b. Calcul de résistance aérodynamique ; aeroF.
La résistance aérodynamique est proportionnelle à la masse volumique de l'air (1,28 kg/m3),
au carré de la vitesse relative (compte tenu du vent) par rapport à l'air, à la section frontale O2 du véhicule et à son coefficient PQ de pénétration dans l'air
(environ 0,3 à 0,4 habituellement) [8].
fx
2
F ρ= (2-6)
Cette résistance aérodynamique est négligeable dans le cycle urbain (vitesse en ville est
limité environ en 50 km/ h).
c. Calcul de la résistance du à la pente penteF ;
La résistance 4R&S)& est la force nécessaire, proportionnelle à la masse totale du véhicule,
pour vaincre une pente à p%.
%pg.MFpente ×= (2-7)
[ ]N9,882Fpente =
L’effort de résistance à l’avancement total est calculé d’après la formule (2 -4),
On a T [ ]N2308Fr =
d. Calcul de puissance disponible à la roue
Si v est la vitesse de déplacement du véhicule, la puissance à fournir aux roues vaut
vFP rroue ×= (2- 8)
Pour un fonctionnement en cycle urbain où la vitesse reste faible (moins de 50 km/h effort
aérodynamique négligeable), l'effort total ainsi que la puissance sont sensiblement
proportionnels à la masse du véhicule :
γ++= .MFFF Penteroulr (2- 9)
Soit [ ]N2308Fr =
En une pente de 10 %, la vitesse est limite à 50 Km h⁄ Y 13,88 m s⁄
Donc la puissance fournir aux roues ;
[ ]W55,32055Proue = Ou bien [ ]Kw..056,32Proue =
42
e. Calcul de puissance de moteur électrique utilisée
Soit 25,0it = le rapport de transmission de vitesse angulaire Rω de la roue motrice et mω
la vitesse de rotation à la sortie de l’arbre moteur.
m
ω ω= (2-10)
On adopte un rapport de transmission i] 0,25 . Rapport de transmission depuis l’arbre d’entrée (sortie d’arbre de moteur électrique mω vers un arbre de sortie (sortie à la roue
motrice Rω ) dans la vitesse maximale de la voiture est limité à [ ]hkm70V = ou à
[ ]sm44,19V = .
t
R R v=ω
V et Rc respectivement la vitesse maximale et le rayon dynamique de la roue de la voiture. Notre choix, on utilise une roue de rayon dynamique de voiture à 400 mm.
ωe 48,6 hrad s⁄ T ωl 194,4 hrad s⁄ T
La vitesse de rotation N du moteur électrique est calculée à partir de la relation entre la vitesse angulaire 0/ et la vitesse de rotation N
π ω= m.30
Nous choisissons de moteur électrique (synchrone) de vitesse de rotation
de ; [ ]mintr3000N = .
f. Calcul de puissance mécanique effective par le moteur électrique.
La puissance mécanique fournie par le moteur électrique Pl est proportionnel à la puissance fournie à la roue motrice (Pln]Fopq)
En identifiant ces deux relations on a :
$l r ωl F r v (2-13)
donu , 8 mωv . $l
43
F 10. $l
F : la force résistance fournie à la roue motrice. F=2308 [N] au maximum ;
$l est la couple de la machine électrique.
:v vitesse maximale de la voiture
$l wxy
$l 230,8 hN · mT La puissance de moteur électrique utilise : Pl $l r ωl 2-14
Pl 448675,52 hwT On choisie une moteur électrique de traction de puissancePl 50 hkwT.
2.6.2 DIMENSIONNEMENT DES ELEMENTS PRINCIPAUX DE MOTEUR
a. Dimensionnement des clavettes.
Considérons que la liaison entre l’arbre de transmission de puissance et la roue pignon
moteur soit réalisé par une clavette parallèle. Cette clavette est montée serre sur l’arbre de
transmission de puissance du moteur électrique.
Lorsque le couple $l est transmis, l’arbre exerce sur la partie inferieure de la clavette des
actions de contact, le moyen fait de même sur la partie supérieure. Ainsi, la clavette est
soumise au cisaillement et au matage.
Fig. 2-11
Les calculs et l’expérimentation montrent que la condition de non matage est prépondérante
devant la condition de résistance au cisaillement.
44
sLa
Donc a..7,0
s.T L
rσ ≥ avec
d.N. P.60
T π
Condition de non matage de la clavette
Supposons que la clavette est acier mi-dur XC42, la pression d’Hertz admissible est
2 Lb
SS mmatée
a · L ~ 47,78 hmmT b · L ~ 178h mm]
Pour 43 hmmT, a 12 hmmT; b 9hmmT; L 50 hmm]
45
Figure: Chaine cinématique de système bloc de traction d’une voiture hybride à moteur en série
46
1- Carter ; 2- Pignon moteur ; 3- Roues de réducteur 4- Arbre de réducteur 5- Pignon droit mené ; 6- Boiter de différentiel 7- Planétaire d’arbre de roue ; 8- Satellite ;
9- croisillon de différentiel 10- demi-arbre de roues ;
11- Roue motrice 12- Moteur électrique. 2.6.3 Calcul les éléments de réducteur ;
1. Choix des matériaux de construction de roue dentée et de pignon,
Acier pour traitement thermique XC18 de dureté de HRC 56 ; 63.
Resistance pratique R 134,375 N mm⁄ .
Trempe à l’eau : 880°C
Revenu : 200°C
Réduit 875-900°
Contrainte admissibles
Les contraintes de contact et de flexion admissible sont définies de façon suivante :
hσT K · hσTn (2-21)
hσTn: La contrainte de contact admissible correspondante au nombre de cycles de
contraintes Nn.
et hσTw K · hσTwn . (2-22)
K : Coefficient de durée de vie de l’engrenage pour le calcul de contrainte de
contact.
Nn : Nombre de cycles de contrainte variables dépendant de la dureté moyenne HB et
HRC (contrainte de contact).
N : nombre réel de cycle de contraintes variables.
K 1 ; 0 pour N ~ Nn donc hσT hσTn
Etude et conception de voiture hybride à moteur en sé

MEMOIRE (etude et conception d'un voiture hybride en ...

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