prÉ-dimensionnement du dispositif de stockage …
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JEAN LONGCHAMPS
PRÉ-DIMENSIONNEMENT DU DISPOSITIF DE
STOCKAGE ÉNERGÉTIQUE D’UN AUTOBUS DE
TRANSPORT URBAIN
Mémoire présenté
à la Faculté des études supérieures de l’Université Laval
dans le cadre du programme de maîtrise en génie électrique
pour l’obtention du grade de Maître ès sciences (M.Sc.)
DÉPARTEMENT DE GÉNIE ÉLECTRIQUE ET DE GÉNIE INFORMATIQUE
FACULTÉ DE SCIENCES ET DE GÉNIE
UNIVERSITÉ LAVAL
QUÉBEC
2011
© Jean Longchamps, 2011
Résumé
Les autobus de transport urbain sillonnent nos routes depuis fort longtemps. Des moyens de
transport à la fois fiables et économiques, ces véhicules se sont imposés dans de
nombreuses villes pour assurer le transport des passagers. Malheureusement, les émissions
de polluants sans cesse croissantes liées à la combustion de l’essence de ces engins, les
autorités gouvernementales ont dû adopter des réformes du secteur du transport de sorte
que de plus en plus de solutions de rechange soient proposées. Dans ce contexte, les
autobus électriques ont été récemment ciblés comme des alternatives viables et
prometteuses pour réduire les émissions de polluants dans les villes. Étant donné
l’émergence de ce type d’autobus, on s’intéresse de plus en plus à la manière dont on
devrait dimensionner ses principaux composants tels que son moteur et sa source d’énergie.
Le travail présenté dans ce mémoire s’inscrit dans le cadre du développement d’un outil qui
permet à un utilisateur d’avoir une idée des dimensions de la source d’énergie ainsi que du
moteur électrique de l’autobus. L’outil permet entre autres de déterminer les paramètres
dimensionnels de l’autobus qui reflètent le choix des performances dynamiques du
véhicule.
En dérivant les équations mathématiques qui gouvernent le comportement de l’autobus, on
peut développer un outil de calcul logiciel. En configurant cet outil conformément aux
besoins d’une étude dimensionnelle, on arrive à proposer des designs d’autobus qui
répondent à différentes situations d’utilisation. Après analyse des résultats de plus de 150
simulations, on peut démontrer que le dimensionnement de la source dépend
essentiellement du choix du type de batteries, de l’autonomie ciblée et du profil de conduite
utilisé par l’autobus. D’autres résultats démontrent que l’utilisation de la source pour
subvenir aux besoins en énergie du système de chauffage de l’autobus en saison hivernale
est peu recommandable. En effet, dans presque tous les cas, l’apport en énergie de
chauffage correspond à la moitié de l’énergie disponible de la source. Enfin, on peut
montrer que l’utilisation combinée des supercapacités et des batteries, pour de faibles
autonomies, permet de réduire davantage la masse de la source nécessaire pour répondre
aux critères de performances.
ii
Abstract
Urban transit buses have furrowed our roads for a long time now. Both reliable and
economical, these vehicles have become one of the most popular mean of transportation to
commute passengers throughout entire cities. Unfortunately, the ever-increasing emissions
of pollutants caused by the burning of gasoline of these buses, have urged the government
authorities to take due reforms in the transport sector so that more and more alternatives are
proposed. In this context, the electric buses have recently been identified as viable and
promising alternative for reducing emissions of pollutants in cities. Since the technology
behind the electrification of urban buses is still young, there is a growing interest on how
we should scale its main components such as its engine and its power source.
The work presented in this paper contributes in the development of a tool that allows a user
to have an idea on the size of the energy source and the electric motor of the bus. The tool
allows among others to determine the dimensional parameters of the bus that reflect the
choice of vehicle dynamic performance.
In deriving the mathematical equations that govern the behavior of the bus, one can develop
simulation tool software. By configuring the tool according to the needs of a dimensional
study, we come to offer bus designs that meet different situations of use. After analyzing
the results from more than 150 simulations, we can show that the size of the energy source
depends essentially on the choice of battery type, autonomy target and driving cycle used
by the bus. Other results show that the use of the source to meet the energy needs of the
heating system of the bus in winter is not advisable. Indeed, in almost all cases, the amount
of energy used from heating corresponds approximately to half the available energy source.
Finally, we can show that the combined use of supercapacitors and batteries, for low
autonomy targets, further reduces the dimensions of the source needed to meet performance
criteria.
Avant-Propos
Ce travail de maîtrise a été accompli au Laboratoire d’Électrotechnique, d’Électronique de
Puissance et de Commande Industrielle (LEEPCI) du Département de génie électrique et de
génie informatique de l’Université Laval.
Je tiens tout d’abord à remercier M. Maxime R. Dubois, pour avoir accepté la direction de
ce mémoire, pour ses conseils avisés et surtout sa patience. Durant ces trois années, il aura
su me transmettre son engouement pour la recherche et l’importance de la rigueur en
sciences naturelles.
Je tiens également à adresser mes remerciements aux professeurs Jérôme Cros et Philippe
Viarouge pour avoir été disponible tout au long de mon travail. Merci également à M.
Sylvain Castonguay du Centre National du Transport Avancé (CNTA) pour ses
informations utiles et son support technique concernant l’Écolobus. J’exprime également
mes remerciements à mes collègues et avant tout amis du LEEPCI.
Je tiens à remercier le FQRNT pour leur support financier qui m’a permis de choisir mon
projet de maîtrise.
Un grand merci à mes parents, Anne et Roland, pour m’avoir supporté et encouragé tout au
long du processus d’écriture de ce mémoire. Merci à mes frères pour leur support et le
divertissement qu’ils m’ont offerts au cours de ces trois années. Pour finir, un merci gros
comme le monde à toi, Annie, pour ton soutien, ta patience, ta compassion, ton écoute et
ton amour. Et à toi mon fils, Jules, je te dois toute ma persévérance et ma détermination à
compléter ce mémoire. Tu es ma raison de vivre.
À mon fils Jules
Table des matières
Résumé ..................................................................................................................................... i
Abstract .................................................................................................................................. ii
Avant-Propos ........................................................................................................................ iii
Table des matières .................................................................................................................. v
Liste des tableaux ................................................................................................................... ix
Liste des figures ..................................................................................................................... xi
Liste des symboles ....................................................................................................................
Introduction ............................................................................................................................. 1
Vue d’ensemble et contexte de l’étude ............................................................................... 1
La problématique ................................................................................................................ 3
Objectif de l’étude .............................................................................................................. 5
La méthodologie ................................................................................................................. 5
La structure du mémoire ..................................................................................................... 6
Chapitre 1. Description générale d’un autobus de transport urbain .................................. 8
1.1 Les types de véhicule automobile ........................................................................... 9
1.2 Les types d’autobus .............................................................................................. 11
1.2.1 Les autobus conventionnels .............................................................................. 13
1.2.2 Les microbus ..................................................................................................... 15
1.3 L’architecture mécanique d’un autobus ................................................................ 17
1.3.1 Configuration hybride série .............................................................................. 19
1.3.2 Configuration hybride parallèle ........................................................................ 21
1.3.3 Configuration hybride série/parallèle ............................................................... 22
1.3.4 Configuration hybride complexe ...................................................................... 22
1.3.5 Configuration sélectionnée pour l’étude ........................................................... 23
1.4 Les types de moteurs ............................................................................................. 27
1.4.1 Moteur à combustion interne ............................................................................ 28
1.4.2 Moteur électrique .............................................................................................. 29
1.5 Le frein régénératif ............................................................................................... 34
1.6 Les dispositifs de stockage énergétique dans les véhicules .................................. 36
vi
1.6.1 L’essence .......................................................................................................... 37
1.6.2 Les batteries ...................................................................................................... 38
1.6.3 Les supercapacités ............................................................................................ 44
1.7 La mission d’un véhicule ...................................................................................... 46
1.7.1 Les profils de conduite ...................................................................................... 47
1.7.2 Le climat ........................................................................................................... 50
1.7.3 La déclivité ....................................................................................................... 51
1.8 Infrastructures ....................................................................................................... 52
1.9 Conclusion ............................................................................................................ 54
Chapitre 2. Modélisation des principaux composants de l’autobus (inspiré du livre de
Mehrdad Ehsani [9]) ............................................................................................................. 56
2.1 Les forces de résistance ........................................................................................ 57
2.1.1 La force de résistance au roulement (Fr) .......................................................... 57
2.1.2 La force de résistance aérodynamique (Fw) ...................................................... 60
2.1.3 La force de résistance de déclivité (Fg) ............................................................ 61
2.2 La force de traction ............................................................................................... 61
2.3 Évaluation des performances de l’autobus ........................................................... 64
2.3.1 Temps d’accélération ........................................................................................ 64
2.3.2 La vitesse maximale du véhicule ...................................................................... 66
2.3.3 La tenue de route en côte .................................................................................. 68
2.3.4 L’autonomie du véhicule .................................................................................. 70
2.4 Modélisation thermique ........................................................................................ 74
2.4.1 Les pertes par conduction ................................................................................. 76
2.4.2 Les pertes par convection ................................................................................. 79
2.4.3 Les pertes par infiltration .................................................................................. 80
2.4.4 Les pertes métaboliques des passagers ............................................................. 80
2.4.5 Bilan thermique ................................................................................................. 80
2.5 Modélisation du dispositif de stockage énergétique du véhicule ......................... 81
2.5.1 Modèle de la batterie ......................................................................................... 82
2.5.2 Modèle des supercapacités ................................................................................ 83
2.5.3 Modèle de la source hybride ............................................................................. 85
vii
2.6 Conclusion ............................................................................................................ 91
Chapitre 3. Pré-dimensionnement d’un autobus de transport urbain électrique .............. 93
3.1 État de l’art ............................................................................................................ 94
3.2 Fonctions principales de l’outil ............................................................................. 98
3.3 Environnement .................................................................................................... 100
3.4 Présentation de l’outil ......................................................................................... 101
3.4.1 La feuille « Page Principale » ......................................................................... 103
3.4.2 La feuille « Masse charge variable » .............................................................. 107
3.4.3 La feuille « Caractéristiques selon cycle » ..................................................... 108
3.4.4 La feuille « Caractéristiques thermiques » ..................................................... 110
3.4.5 La feuille « Caractéristiques moteur» ............................................................. 111
3.4.6 La feuille « Cycles de conduite » .................................................................... 112
3.5 Hypothèses et simplifications ............................................................................. 114
3.6 Validation ............................................................................................................ 117
3.6.1 Caractéristiques techniques de l’Écolobus ..................................................... 117
3.6.2 Caractéristiques techniques de la EV1 de General Motors ............................. 118
3.6.3 Configuration de l’outil pour les simulations ................................................. 120
3.6.4 Résultats de simulations et comparaison ........................................................ 125
3.6.5 Validation de l’outil ............................................................................................ I
3.7 Étude dimensionnelle .......................................................................................... 133
3.7.1 Caractéristiques techniques du Novabus LFS (figure 36) .............................. 137
3.7.2 Configuration de l’outil pour les simulations ................................................. 137
3.8 Résultats de simulation ....................................................................................... 139
3.8.1 Étude sur la masse du DSE ............................................................................. 142
3.8.2 Influence de l’hybridation sur la masse du dispositif de stockage énergétique : ..
........................................................................................................................ 156
3.8.3 Discussion sur le choix du profil de conduite ................................................. 158
3.8.4 Discussion sur la puissance motrice ............................................................... 159
3.8.5 Discussion sur la consommation énergétique ................................................. 161
3.9 Conclusion en regard des résultats de simulation ............................................... 162
Conclusion .......................................................................................................................... 164
viii
Perspectives .................................................................................................................... 167
Bibliographie ...................................................................................................................... 168
Annexe 1. Spécifications techniques de l’autobus LFS de NovaBus .......................... 172
Annexe 2. Résultats de simulation pour le NovaBus LFS (30, 50 et 100 km) ............ 173
Liste des tableaux
Tableau 1 : Glossaire des termes utilisés pour identifier les différents types d'architecture
électrique [5] .................................................................................................... 11
Tableau 2 : Caractéristiques techniques d’un autobus conventionnel (NovaBus LFS [4]) et
d’un Microbus (TechnoBus Gulliver [8]) ........................................................ 14
Tableau 3 : Vitesse maximale, vitesse moyenne, énergie totale de traction et énergies
consommées par la résistance aérodynamique et par le freinage pour une
distance de parcours de 100km pour différents profils de conduite. ............... 36
Tableau 4 : Niveaux de charge établis par le standard SAE J1772 [25] ............................... 54
Tableau 5 : Temps de charge complète d'une batterie de 30 et 70 kWh. .............................. 54
Tableau 6 : Caractéristiques techniques de quelques technologies de batteries [9]. ............ 84
Tableau 7 : Comparaison des paramètres issus des études dimensionnelles présentées dans
[35], [36] et [37] ............................................................................................... 96
Tableau 8 : Exemple de paramètres de simulation ............................................................. 105
Tableau 9 : Exemple de paramètres relatifs au véhicule et à ses dimensions ..................... 106
Tableau 10 : Exemple de contrôles pour orienter la simulation ......................................... 107
Tableau 11 : Exemple des principaux paramètres de sortie de la simulation ..................... 108
Tableau 12 : Extrait des données affichées dans la feuille « masse charge variable ». ...... 109
Tableau 13 : Extrait des données affichées dans la feuille « caracteristiques selon cycle ».
....................................................................................................................... 110
Tableau 14 : Extrait des données affichées dans la feuille « caracteristiques thermiques ».
....................................................................................................................... 111
Tableau 15 : Extrait des données affichées dans la feuille « caractéristiques sources». .... 114
Tableau 16: Caractéristiques principales de l'Écolobus ...................................................... 119
Tableau 17: Performances principales de l'Écolobus ......................................................... 119
Tableau 18: Caractéristiques du moteur de l'Écolobus ....................................................... 119
Tableau 19: Caractéristiques principales de La EV1 de GM .............................................. 120
Tableau 20: Performances principales de La EV1 de GM ................................................. 120
Tableau 21: Caractéristiques du moteur de La EV1 de GM ............................................... 120
Tableau 22 : Paramètres choisis pour la simulation du microbus ....................................... 122
x
Tableau 23 : Paramètres choisis pour la simulation de la EV1 de GM .............................. 123
Tableau 24 : Paramètres de sortie de la simulation de l’Écolobus ..................................... 126
Tableau 25 : Comparaison du modèle réel au modèle simulé de l’Écolobus ..................... 128
Tableau 26 : Paramètres de sortie de la simulation de la EV1 ........................................... 131
Tableau 27 : Comparaison du modèle réel au modèle simulé de la EV1 de GM. .............. 132
Tableau 28 : Exemples de scénarios utilisés lors des simulations ...................................... 134
Tableau 29: Caracteristiques principales du NovaBus LFS ............................................... 139
Tableau 30: Performances principales du NovaBus LFS ................................................... 139
Tableau 31: Caractéristiques du moteur du NovaBus LFS ................................................. 139
Tableau 32 : Paramètres choisis pour la simulation du NovaBus LFS ............................... 141
Tableau 33: Signification des suffixes des noms de simulations présentées sur les figures.
....................................................................................................................... 142
Tableau 34 : Résultats des simulations : Masse totale du DSE et contribution des SC pour
une autonomie de 10 km sur le profil de conduite de Manhattan ................. 145
Tableau 35 : Résultats des simulations : Comparaison de la Masse totale du DSE pour une
autonomie de 50 km entre les profils de conduite de Manhattan et de OC Bus
Cycle .............................................................................................................. 147
Tableau 36 : Résultats des simulations : Comparaison de la consommation énergétique pour
une autonomie de 50 km entre les profils de conduite de Manhattan et de OC
Bus Cycle ....................................................................................................... 149
Tableau 37 : Résultats des simulations : Puissance maximale observée pour une autonomie
de 50 km sur les profils de conduite de Manhattan et de OC Bus Cycle ....... 151
Tableau 38 : Comparaison des résultats de modélisation pour un DSE muni uniquement de
batteries Acide Plomb ou de Lithium-ion ...................................................... 153
Tableau 39 : Illustration de l’effet de l’hybridation de la source (Batteries + SC) sur la
masse totale du DSE ...................................................................................... 157
Tableau 40 : Résultats des simulations : Masse totale du DSE pour une autonomie de 30 km
sur le profil de conduite de Manhattan ......................................................... 174
Tableau 41 : Résultats des simulations : Masse totale du DSE pour une autonomie de 50 km
sur le profil de conduite de Manhattan ......................................................... 174
xi
Tableau 42 : Résultats des simulations : Masse totale du DSE pour une autonomie de 100
km sur le profil de conduite de Manhattan ................................................... 174
Liste des figures
Figure 1 : La première voiture de course électrique à piles électriques par le Belge Camille
Jénatzy en 1899 pouvait atteindre une vitesse de 109 km/h, un record à l’époque
.............................................................................................................................. 3
Figure 2 : Exemples d’un véhicule léger (a) et lourd (b). ....................................................... 9
Figure 3 : Exemple d'un autobus conventionnel (a) et d'un microbus (b) ............................ 12
Figure 4: Dimensions d'un autobus conventionnel (A) et d'un microbus (B). [4, 8] ............ 15
Figure 5 : Architecture mécanique d'un autobus hybride série. ............................................ 18
Figure 6 : Les diverses configurations d’un HEV (traduit de l’anglais de [7]) .................... 20
Figure 7 : Diagramme de blocs de la structure d’un véhicule automobile électrique (inspiré
et traduit de [9]). ................................................................................................. 24
Figure 8 : Les différentes formes de transmission du couple moteur vers la roue (traduit de
[13]). ................................................................................................................... 25
Figure 9 : Caractéristiques couple/vitesse sans engrenage d'un moteur idéal (A), à
combustion interne (B) et électrique (C). Traduit de [9] .................................... 29
Figure 10 : Caractéristiques de l'effort de traction d'un moteur à combustion interne
conventionnel. traduit de [9] ............................................................................... 30
Figure 11 : Classification des moteurs électriques utilisés pour propulser les véhicules
électriques et hybrides électriques. tiré et traduit de [9] ..................................... 32
Figure 12 : Énergie spécifique et puissance spécifique de quelques dispositifs de stockage
énergétique. (traduit de [19] tel que fournit par le département d’énergie des
États-Unis.) ......................................................................................................... 38
Figure 13 : Modèle du circuit équivalent d’une batterie. Tiré de [9]. ................................... 40
Figure 14 : Profils de conduite propres aux autobus de transport urbain ............................. 49
Figure 15 : Exemple de "Trolley Bus" à Vancouver ............................................................ 55
Figure 16 : Schéma des forces en action sur le véhicule en mouvement .............................. 58
Figure 17 : Influence de la force de la compression du pneu sur la dynamique du véhicule
............................................................................................................................ 59
Figure 18 : Schéma du système de traction (tiré et traduit de [9]) ........................................ 62
Figure 19 : Schéma des vitesses en jeu sur la roue ............................................................... 63
xiii
Figure 20 : Caractéristiques couple/vitesse et puissance/vitesse avec la courbe du couple de
résistance au mouvement .................................................................................... 67
Figure 21 : Caractéristique couple/vitesse du moteur, ainsi que les courbes de couple
résistant pour différentes valeurs de pente (1° à 4°) ........................................... 69
Figure 22 : Caractéristiques couple/vitesse du moteur MΦ120 de TM4 pour différents
modes de fonctionnement (en anglais seulement) .............................................. 70
Figure 23 : Utilisation typique d'une batterie électrochimique d’un hev. ............................. 74
Figure 24 : Mécanismes de transfert de chaleur de l'intérieur du véhicule vers l'extérieur. . 78
Figure 25 : Schéma illustrant les dimensions de l’autobus comme un prisme rectangulaire.
............................................................................................................................ 79
Figure 26 : Schéma du Chemin parcouru par la puissance de la source hybride jusqu'au
moteur. ................................................................................................................ 87
Figure 27 : Illustration de l'effet du ratio de batteries sur la masse totale du dispositif de
stockage énergétique. cas particulier d’une source hybride composée de batteries
à base lithium et de supercapacités (esp,b=0.2 kwh/kg; psp,b=0.5 kw/kg;
esp,sc=2.53 wh/kg; psp,sc= 5.9 kw/kg; rb,opt= 84%; daut req = 33 km;
pmax_profil = 393.5 kw) .................................................................................... 88
Figure 28: Illustration de l’effet du choix du type de batteries sur les courbes de puissances
et d’autonomie du dispositif de stockage énergétique hybride. A) NiNaCl2 et
SC. B) NiMH et SC. ........................................................................................... 90
Figure 29 : Disposition des principales feuilles de calcul Excel de l’outil de modélisation
.......................................................................................................................... 102
Figure 30 : Organigramme de fonctionnement de l’outil de modélisation. ........................ 103
Figure 31 : Organigrammes représentant les opérations effectuées par l’outil lors de
l’activation des boutons de la feuille « caractéristiques moteur ». ................... 113
Figure 32: Véhicule choisi pour la validation: Écolobus (adaptation du Gulliver de
Technobus) [8] .................................................................................................. 118
Figure 33: Véhicule supplémentaire pour valider l'outil: la EV1 de General Motors [39] 118
Figure 34 : Profil de conduite FTP 75 Urban choisi pour la simulation de la EV1 ............ 125
Figure 35: Les cycles de conduite utilisés pour l’étude. a) Manhattan Bus CycleC B)
Orange County Bus Cycle C) Ecolobus ........................................................... 136
xiv
Figure 36: Véhicule choisi pour l’étude de dimensionnement de ce mémoire : Le NovaBus
LFS [4] [41] ...................................................................................................... 138
Liste des symboles
Symbole Définition Unités
v Vitesse du véhicule m/s
vw Vitesse du vent m/s
a Accélération du véhicule m/s2
α Pente de la route dans laquelle évolue le véhicule °
Ft Force de traction appliquée au contact de la roue et du sol N
Fr Force totale de résistance au roulement N
Tr Couple total de résistance au roulement Nm
Fw Force de résistance aérodynamique N
Fg Force de résistance gravitationnelle N
fr Coefficient de résistance au roulement S.D.
rd Rayon de la roue au contact avec le sol m
d Décalage de la force de résistance au roulement m
Af Surface frontale du véhicule m2
CD Coefficient de résistance aérodynamique S.D.
ρ Densité de l’air kg/m3
Mv Masse totale du véhicule kg
δ Facteur de masse des parties tournantes S.D.
g Constante gravitationnelle m/s2
Tw Couple transmis aux roues Nm
Tp Couple moteur Nm
ηt Rendement mécanique du système de traction S.D.
ig Ratio de conversion de la transmission S.D.
Np Vitesse de rotation au niveau moteur RPM
i
Nw Vitesse de rotation au niveau de la roue RPM
Pp Puissance motrice W
ta Temps d’accélération s
vb Vitesse de base du moteur m/s
n Nombre de discrétisations S.D.
Npmax Vitesse maximale du moteur RPM
vmax Vitesse maximale du véhicule m/s
Ps Puissance fournie par la source W
ηs Rendement de conversion de la source S.D.
vmax Vitesse maximale du véhicule m/s
Eprofil Énergie consommée pour parcourir le profil de conduite Wh
αreg Ratio de récupération de l’énergie S.D.
QT Pertes thermiques totales W
Qc Pertes thermiques par conduction W
Qv Pertes thermiques par ventilation (convection) W
Qi Pertes thermiques par infiltration W
Qp Pertes métaboliques des passagers W
Tint Température à l’intérieur de l’autobus °C
Text Température à l’extérieur de l’autobus °C
dT Écart de température °C
k Conductivité thermique du matériau W/m K
dx Épaisseur du matériau de conduction m
S Surface extérieure de l’autobus m2
L Longueur de l’autobus m
h Hauteur de l’autobus à partir du plancher m
Lg Largeur de l’autobus m
ii
R Facteur de refroidissement éolien °C
V Vitesse de l’autobus km/h
Npsg Nombre de passagers de l’autobus S.D.
Pb Puissance des batteries W
PSC Puissance des supercapacités W
Eb Capacité énergétique des batteries Wh
ESC Capacité énergétique des supercapacités Wh
Es Capacité énergétique de la source Wh
Mb Masse des batteries kg
MSC Masse des supercapacités kg
Ms Masse totale de la source kg
psp,b Puissance spécifique des batteries W/kg
psp,SC Puissance spécifique des supercapacités W/kg
esp,b Énergie spécifique des batteries Wh/kg
esp,SC Énergie spécifique des supercapacités Wh/kg
ηb Rendement de conversion des batteries S.D.
ηSC Rendement de conversion des supercapacités S.D.
Rb Ratio de batteries S.D.
RSC Ratio de supercapacités S.D.
dAut Autonomie de l’autobus km
ms,dAut Contrainte sur l’autonomie de l’autobus kg
ms,P Contrainte sur la puissance motrice de l’autobus kg
Introduction
On définit, selon le dictionnaire « Le Nouveau Petit Robert », le dimensionnement ou
l’étude dimensionnelle comme « l’établissement de l’ensemble des dimensions d’un objet »
[1]. Par exemple, pour faire le dimensionnement d’une table, on devrait établir les mesures
de la longueur de la table, sa largeur et sa hauteur. On pourrait également établir les
dimensions des pattes ou encore déterminer l’épaisseur de la planche qui compose la
plateforme. Chacune de ces dimensions calculées précisément permettrait à un concepteur
de construire cette table en suivant les plans du dimensionnement établi. Elle pourrait
ensuite être utilisée dans un environnement prédéfini comme une table de salle à manger
par exemple.
Dans ce contexte, on pourrait s’imaginer le prédimensionnement comme étant l’étape
ultérieure à la prise des dimensions précises. On pourrait se demander par exemple : «
Quelle longueur approximative doit avoir ma table si je veux qu’elle entre dans la salle à
manger? » Ou encore, « quelle hauteur approximative doit-elle avoir si on veut pouvoir
glisser une chaise avec accoudoir sous la plateforme? »
L’étude présentée dans ce mémoire se base essentiellement sur cette approche
approximative dans un contexte de dimensionnement d’une source d’énergie, que l’on
réfère au dispositif de stockage énergétique, d’un autobus de transport urbain tout
électrique. La section suivante met en contexte l’environnement de pensée dans lequel cette
étude est née.
Vue d’ensemble et contexte de l’étude
Le transport en commun fait partie intégrante du paysage urbain. La majorité des grandes
métropoles utilisent de multiples moyens de transport urbain pour assurer le transit de
millions de passagers que ce soit par l’intermédiaire de lignes de métro, de trains ou plus
fréquemment, par l’intermédiaire d’un réseau d’autobus. Chaque moyen de transport utilise
son type de propulsion propre à son application. Les métros utilisent habituellement la
traction électrique alors que la majorité des autobus utilisent les moteurs à combustion
2
internes. Bien que ce type de propulsion soit largement répandu, que sa technologie soit
mature et que ses coûts d’exploitation soient raisonnables, de plus en plus de problèmes de
pollution apparaissent par l’utilisation massive de carburants fossiles. Ceci est d’autant plus
critique dans les grands centres urbains où les problèmes de smog et de dégradation de la
qualité de l’air se font de plus en plus sentir d’année en année, et ce, sans parler de l’impact
de l’utilisation des hydrocarbures sur les gaz à effet de serre (GES).
Par ailleurs, au cours des dernières années, l’exode des populations rurales vers les villes
s’est intensifié à tel point que la revue britannique « The World in 2006 » de l’éditeur The
Economist prévoyait que l’année 2006 montrerait un point tournant en termes de
démographie urbaine. En effet, on prévoyait alors que plus de 50% de la population
mondiale se trouverait dans les communautés urbaines [2]. Cette surprenante démographie
n’a eu d’autres effets qu’aggraver la situation déjà précaire des villes sur la gestion des
émissions de gaz polluants.
Devant cette réalité préoccupante et face à l’effervescence de l’industrialisation, de
nombreux pays se sont associés d’un commun accord afin de réduire les émissions de GES
(le fameux protocole de Kyoto). Certaines régions du globe ont adopté des réglementations
et des incitatifs musclés afin d’atteindre leurs objectifs fixés par le protocole de Kyoto.
L’une des sources les plus importantes de production de CO2, le principal GES, est sans
aucun doute l’industrie du transport après le secteur énergétique. En fait, selon les
statistiques de l’OCDE, elle contribue à elle seule à environ 25% du bilan de production
mondiale de CO2. Une pointe de tarte qui a de quoi laisser un arrière-goût plutôt amer.
Dans la foulée des solutions proposées pour réduire l’impact de l’homme sur son
environnement, l’électrification des transports a été reconnue prometteuse de toute part des
sphères de la communauté internationale que ce soit au niveau des paliers
gouvernementaux qu’en milieu scientifique. Dans ce créneau, il est sans aucun doute
nécessaire de s’attaquer aux transports en commun et en particulier les autobus de transport
urbain. Mais comment offrir une technologie à traction électrique, permettant à un autobus
de réduire voire éliminer sa consommation d’essence, qui saura s’adapter au marché et s’y
positionner de façon durable? La section suivante expose justement cette problématique.
3
La problématique
L’électrification des automobiles n’est pas récente. Déjà en 1899, on construisait des
voitures électriques performantes alimentées par des batteries (figure 1). Les technologies
de l’époque fonctionnaient à tel point qu’en « 1900, sur 4 192 véhicules fabriqués aux
États-Unis, 1 575 étaient électriques, 936 à essence, et 1 681 à vapeur »1. Cependant, les
moteurs à essence ont supplanté la traction électrique dans l’industrie du transport en raison
notamment du potentiel énergétique de la gazoline nettement supérieur à celui des piles
électriques. Cette limitation a perduré jusqu’à nos jours et récemment, seulement quelques
1 ↑ (en) Cabinet magazine [archive] - n
o 21, printemps 2006.
FIGURE 1 : LA PREMIÈRE VOITURE DE COURSE ÉLECTRIQUE À PILES ÉLECTRIQUES PAR LE BELGE CAMILLE JÉNATZY
EN 1899 POUVAIT ATTEINDRE UNE VITESSE DE 109 KM/H, UN RECORD À L’ÉPOQUE
4
technologies de batteries ont su raviver l’espoir de voir renaître les voitures électriques.
Malgré leur densité énergétique relativement faible comparativement à l’essence, les
batteries actuelles peuvent permettre des designs de véhicules tout électriques dont les
performances se rapprochent de plus en plus de celles des voitures conventionnelles. Seule
l’autonomie demeure encore et toujours leur talon d’Achille. En effet, dans la majorité des
cas, pour vendre des voitures électriques abordables, les constructeurs automobiles doivent
faire un compromis en termes d’autonomie qui ne dépassera que rarement 100 km.
Dans ce contexte, pour augmenter leur autonomie tout en réduisant leur consommation
d’essence, plusieurs constructeurs ont opté pour la technologie hybride qui consiste à
diviser la traction du véhicule en une partie électrique et une partie à essence. Cette
philosophie est également adoptée par l’industrie du transport en commun notamment en ce
qui concerne les autobus.
Cependant, dans l’industrie du transport urbain et particulièrement celle liée aux autobus, la
limitation liée aux faibles autonomies pourrait être amoindrie en adoptant une infrastructure
de recharge ou d’interchangeabilité adaptée pour ces batteries. En effet, en prévoyant un
trajet communément employé par un autobus muni de points de ravitaillement rapides, on
pourrait s’affranchir de l’idée d’avoir l’autonomie la plus élevée que possible. Mais de
quelle autonomie parle-t-on? Quelle distance un autobus tout électrique devrait-il parcourir
avant de se ravitailler? Que représente cette autonomie en termes de masse ajoutée au
véhicule? Serait-ce raisonnable? Ces interrogations nous amènent à la principale
problématique à laquelle cette étude tentera de résoudre ou du moins d’apporter des pistes
de solutions :
Quelle masse devrait avoir un dispositif de stockage énergétique d’un autobus de transport
urbain tout électrique pour pouvoir parcourir 10, 30, 50 ou 100 km avant le
ravitaillement?
5
Objectif de l’étude
Le principal objectif de l’étude consiste à proposer des solutions de dimensionnement du
dispositif de stockage énergétique (DSE) pour diverses configurations d’un autobus de
transport urbain. Plus précisément, l’étude entend donner une bonne indication pour des
scénarios tels que ceux-ci :
Scénario A : quelle masse de DSE, aurais-je besoin pour que mon autobus puisse
franchir une distance de 10 km, 30 km, 50 km et 100 km avant le ravitaillement?
L’autobus est vide et le climat est estival.
Scénario B : même question, mais cette fois, l'autobus est plein.
Scénario C : même question, mais l'autobus est vide et fonctionne en hiver (à
température ambiante de -20°C) et le chauffage provient du DSE.
Scénario D : même question que celle du scénario C, mais l'autobus est plein.
Chaque passager émet 75W de puissance de chauffage dans l’habitacle.
Par l’intermédiaire de ce questionnement, l’étude vise également à proposer des solutions
qui pourraient être adaptées aux besoins de gestionnaires fictifs de réseaux de transports qui
s’intéresseraient à la propulsion électrique de leur autobus.
La méthodologie
Pour répondre aux objectifs de cette étude, les travaux se sont basés uniquement sur la
modélisation mathématique de l’autobus. Cette modélisation a été portée sur un logiciel de
calcul lequel a été développé sous la plateforme de Microsoft Excel appuyée par la
programmation Visual basic.
Pour déterminer le modèle mathématique de l’autobus, l’étude s’est basée sur divers
ouvrages scientifiques qui couvrent entre autres le bilan des forces exercées sur l’autobus
ainsi que l’évaluation des performances du véhicule. À partir des équations, l’outil de
prédimensionnement a été développé et adapté aux besoins de l’étude.
L’outil a été monté de sorte qu’il puisse fournir une indication sur la puissance motrice du
moteur électrique nécessaire pour l’application, l’énergie électrique utilisée par l’autobus
6
sur un parcours donné, et finalement, la masse du DSE nécessaire pour assurer une
autonomie ciblée par un utilisateur.
Par la suite, l’outil a été soumis à une multitude de simulations se référant aux scénarios
exposés par les objectifs de l’étude. Au total, près de 150 simulations ont été effectuées
pour obtenir suffisamment de résultats pour étoffer au mieux l’analyse.
La structure du mémoire
Le mémoire a été divisé en trois (3) grands chapitres :
Le Chapitre 1 est entièrement consacré à la description générale d’un autobus de transport
urbain. On y décrit notamment deux (2) types d’autobus et leurs caractéristiques propres.
Ensuite, on s’attarde à l’architecture mécanique de l’autobus pour faire ressortir les points
qui seront utiles lors de la modélisation. Les types de moteurs utilisés pour la traction sont
exposés ainsi que les dispositifs de stockage énergétique utilisés par les autobus électriques.
Finalement, on introduit le concept de mission d’un autobus dans lequel on retrouve les
profils de conduite généralement empruntés par les autobus.
Le Chapitre 2 présente toute la modélisation mathématique liée à l’autobus électrique. On
trouve notamment les forces de résistances en jeu sur l’autobus ainsi que la définition
mathématique des performances d’un autobus. On couvre également le modèle thermique
qui régit le système de chauffage à l’intérieur de l’habitacle lors des périodes hivernales.
Enfin, on aborde la modélisation des dispositifs de stockage énergétique utilisés dans les
autobus.
Le Chapitre 3 aborde le prédimensionnement en soi. On présente d’abord l’outil qui a été
développé pour lancer les simulations ainsi que son environnement logiciel. Ensuite, on
valide l’outil par l’intermédiaire de quelques simulations dont les résultats sont comparés à
des véhicules électriques aux paramètres dimensionnels connus. Après validation, l’outil
est utilisé dans un contexte d’étude dimensionnelle où les paramètres et scénarios propres à
cette étude sont expliqués. On termine par la présentation des résultats et leur analyse.
7
Enfin, on conclu brièvement ce mémoire en présentant sommairement le processus général
de développement de l’étude dimensionnelle.
Chapitre 1. Description générale d’un autobus de transport
urbain
Bien qu’il existe d’innombrables variétés de véhicules et de moyens de propulsion pour les
déplacer, ce travail se contentera d’explorer uniquement les véhicules automobiles munis
d’un moteur à explosion ou d’un moteur électrique et utilisés pour le transport de personnes
et de marchandises tels que les autobus de transport urbain.
Un des objectifs principaux de l’étude dimensionnelle est d’arriver à cibler la quantité
d’énergie requise par l’autobus pour effectuer un parcours d’une distance donnée (en km).
À partir de cette information, il est possible de dimensionner une source d’énergie pour une
autonomie voulue. Par exemple, si un autobus à propulsion uniquement électrique utilise
trois (3) kWh de sa source d’énergie à bord pour parcourir 10 km, et qu’on désire assurer
une autonomie de 50 km, alors il faudra équiper l’autobus d’une source électrique capable
de fournir 15 kWh. La question est donc de savoir calculer ces trois (3) kWh.
Pour y arriver, il faut être en mesure de développer un modèle mathématique basé sur des
équations qui relèvent du domaine de la physique et qui se rapprochent le plus d’un modèle
réel (voir Chapitre 2). Pour dériver des équations d’un modèle physique, les rendre
compréhensibles et utilisables, il faut d’abord connaître ce qui entoure l’autobus de
transport urbain. À peu près tout doit être pris en compte en interprétant, par exemple, son
système de propulsion, ses dimensions et l’environnement qui l’entoure.
Dans le cadre de ce chapitre, on s’intéressera à comprendre les différences entre les deux
principaux types de véhicules observés sur les routes, les véhicules légers et les véhicules
lourds. On se concentrera sur le second groupe de véhicules en étudiant certains types
d’autobus de transport urbain tels que le microbus ou encore l’autobus de ville
conventionnel à 80 places. Ensuite, l’architecture mécanique d’un autobus sera abordée et
les principales configurations disponibles sur le marché seront présentées. En décortiquant
la structure de l’autobus, on abordera plus en détail les types de moteurs employés pour la
traction de même que les principaux dispositifs de stockage utilisés pour fournir l’énergie
de traction. Au terme de ce chapitre, le concept de mission sera défini et développé afin de
9
mettre en contexte les facteurs qui influencent la consommation énergétique d’un autobus
de transport urbain.
Ce travail sera surtout consacré aux autobus de transport urbain quoique, afin de bien
mettre en contexte le lecteur, il puisse être intéressant de définir les principaux types de
véhicules automobiles.
1.1 Les types de véhicule automobile
On distingue deux grands types de véhicules sur les routes nord-américaines : les véhicules
automobiles légers et les véhicules automobiles lourds (figure 2).
Le véhicule automobile léger (figure 2A), ou simplement l’automobile est habituellement
utilisé à titre personnel pour le transport de personnes. Ces véhicules peuvent
habituellement recevoir cinq (5) personnes à bord. Leur autonomie varie grandement en
fonction du type de moteur utilisé et du type de stockage énergétique employé pour
propulser le véhicule. Une automobile munie d’un moteur à combustion interne peut
parcourir jusqu’à 1000 km voire même plus dépendamment du type d’essence utilisée (i.e.
Volkswagen TDI 2009). Quant aux automobiles à traction uniquement électrique, leur
autonomie ne dépasse habituellement pas les 350 km (Tesla Roadster). Le véhicule
automobile lourd (figure 2B) fait référence au véhicule utilisé pour le transport de
A) FISKER KARMA (EREV) B) CITYBUS DE AZURE DYNAMICS (HEV)
FIGURE 2 : EXEMPLES D’UN VÉHICULE LÉGER (A) ET LOURD (B).
10
marchandises lourdes ou le transport d’un nombre important de passagers. Les autobus, les
autocars, les trains routiers et les camions font partie de cette catégorie. L’autonomie de ces
véhicules varie énormément, tout comme le véhicule automobile léger, en fonction du
système de traction et du dispositif de stockage énergétique utilisé. Selon le site web
ChinaBuses.com [3],certains autobus peuvent transporter jusqu’à 300 passagers et mesurer
jusqu’à 25 mètres de long et d’autres peuvent avoir une autonomie de plus de 800 km
(calcul basé sur la consommation moyenne de carburant et la capacité du réservoir d’un
autobus NovaBus LFS) comme le mentionne C. Guérette, P.T., A. Lehmann, et al. dans
leur étude [4].
Afin de minimiser le plus possible les émissions de gaz polluants dans l’atmosphère, les
constructeurs automobiles ont commencé à introduire des systèmes de traction hybrides
utilisant des moteurs électriques dans leurs séries de véhicules. Au fil des années, les
modèles hybrides se sont grandement diversifiés faisant place à une multitude de
configurations sur le marché. Par définition, le véhicule automobile hybride électrique
(HEV) implique que le véhicule est mu en tout ou en partie par un moteur électrique dont la
source d’énergie électrique ne peut être rechargée que par un moteur à essence. Ils diffèrent
des véhicules hybrides électriques rechargeables (PHEV) du fait que le dispositif de
stockage énergétique de ces derniers peut être rechargé par une source électrique externe.
Devant les difficultés observées quant à l’interprétation du terme hybride parmi les
constructeurs, le gouvernement canadien a, dans un consensus général, adopté un glossaire
permettant de définir les principales configurations hybrides possibles sur le marché. Le
glossaire, présenté au tableau 1, est disponible uniquement en anglais dans le rapport
préliminaire du comité Canada's Electric Vehicle Technology Roadmap [5].
Peu importe le choix de la catégorie de véhicule (léger ou lourd), l’utilisation en tout ou en
partie de la propulsion électrique permet, en général, d’améliorer leur consommation
d’essence. Ceci est particulièrement vrai en ce qui concerne les véhicules automobiles
lourds tels que les autobus où l’utilisation d’un système de propulsion hybride permettrait
d’apporter, dans certains cas, des gains sur la consommation allant jusqu’à 50% selon le
fabriquant canadien AzureDynamics et les travaux de Chan, C.C. [6, 7].
11
Le choix du type de propulsion d’un véhicule automobile dépend d’une foule de facteurs
qui justifient ou non l’emploi d’une technologie plutôt qu’une autre. Dans cet ouvrage, on
fait le choix de propulser le véhicule par voie uniquement électrique dont la source
d’énergie (dispositif de stockage énergétique) sera rechargée par frein régénératif et par une
source extérieure. Qui plus est, on va se concentrer sur le segment des véhicules lourds, et
particulièrement sur les autobus.
1.2 Les types d’autobus
Les autobus sont des véhicules automobiles lourds utilisés principalement pour le transport
de passagers à l’intérieur d’une zone urbaine contrairement aux autocars qui assurent le lien
TABLEAU 1 : GLOSSAIRE DES TERMES UTILISÉS POUR IDENTIFIER LES DIFFÉRENTS TYPES D'ARCHITECTURE
ÉLECTRIQUE [5]
12
interurbain (Montréal - Québec). L’autobus parcourt habituellement un circuit fermé, c’est-
à-dire qu’il revient à son point de départ une fois le circuit terminé. Le dispositif de
stockage énergétique à bord leur permet habituellement d’effectuer plusieurs fois un même
circuit fermé avant de se ravitailler.
L’autobus n’est habituellement pas admis sur les voies autoroutières. Par contre, sur
certains modèles, la vitesse de pointe peut atteindre plus de 100 km/h ce qui permettrait
ainsi d’effectuer la liaison entre la ville et la banlieue plus rapidement. C’est le cas de la
Société de Transport de Lévis (STL) qui assure le lien entre Lévis et Québec par
l’intermédiaire, par exemple, du Pont de Québec.
L’autobus est caractérisé par un habitacle conçu pour accueillir un grand nombre de
passagers. Il peut habituellement accueillir entre 20 et 300 passagers à la fois. L’autobus
conventionnel en circuit sur les routes de la ville de Québec peut accueillir jusqu’à 39
places assises, mais, lors des heures de pointe, il peut assurer le transport de 80 personnes
en même temps. La longueur d’un autobus varie entre 5 et 25 mètres, dépendamment du
modèle et sa hauteur varie entre 2.5 et 4.5 mètres. Les plus petits modèles peuvent peser 3.6
tonnes alors que les plus gros peuvent atteindre 24 tonnes.
Il existe plusieurs modèles d’autobus sur le marché pour répondre aux besoins des
communautés urbaines. Parmi les plus populaires, on trouve les modèles conventionnels, à
deux étages, à plusieurs wagons (autobus articulés) et les microbus. Cependant, l’étude se
consacrera plus particulièrement sur les modèles conventionnels et sur les microbus (figure
A) B)
FIGURE 3 : EXEMPLE D'UN AUTOBUS CONVENTIONNEL (A) ET D'UN MICROBUS (B)
13
3).
L’information des modèles conventionnels est largement disponible dans la littérature, ce
qui permet une étude dimensionnelle relativement bien détaillée et crédible. Le microbus
Gulliver de Technobus est actuellement en circulation sur les routes de la ville de Québec.
Le Réseau de Transport de la Capitale (RTC) et le Centre National du Transport Avancé
(CNTA) se sont joints pour faire l’essai de ce bus tout électrique sur les routes de la
capitale québécoise. Un document technique du microbus Gulliver, fourni par le CNTA [8]
et le RTC, présente suffisamment d’information sur ce véhicule pour permettre une étude
dimensionnelle précise.
1.2.1 Les autobus conventionnels
Ce type d’autobus est le plus répandu à travers le monde. Il est habituellement caractérisé
par un seul pont soutenu par deux essieux. Les modèles conventionnels mesurent environ
12 mètres de long (figure 4A). Ils disposent, dépendamment de leur habitacle, de 30 à 40
places assises et peuvent accueillir jusqu’à 100 personnes. Ils possèdent habituellement
deux portes et certains d’entre eux ont leur plancher très bas, au niveau de la route ce qui
permet l’accès aux personnes handicapées.
Les spécifications techniques de l’autobus NovaBus LFS sont fournies en annexe (Annexe
1), mais les principales caractéristiques de cet autobus sont exposées dans le tableau 2. Le
NovaBus LFS est muni d’un système de propulsion arrière. Le centre de masse est alors
décalé vers l’arrière au tiers de la longueur du véhicule. La consommation moyenne
d’essence du NovaBus a été évaluée lors d’une étude en se basant sur un échantillon de 41
autobus en service pendant deux mois. Au terme de l’étude de C. Guérette, P.T., A.
Lehmann, et al. [4], on a évalué la consommation du NovaBus LFS à 56,7 L/100 km.
L’intérêt de l’électrification d’un tel véhicule est alors justifiable pour réduire les émissions
de GES et les polluants atmosphériques. L’autonomie moyenne est calculée en se basant
sur la capacité du réservoir à essence et la consommation moyenne d’un autobus. Tel que
mentionné plus haut, les autobusconventionnels peuvent généralement atteindre des
vitesses au-delà de 100 km/h. Cependant, les parcours fréquemment utilisés par les autobus
14
conventionnels sont marqués par des vitesses tournant autour de 50 à 60 km/h.
Valeurs Unités
Dimensions Nova LFS Gulliver
Longueur 12.4 5.3 m
Hauteur 2.9 2.6 m
Largeur 2.6 2.0 m
Capacité d’embarquement
Nombre de places assises 41 11 places
Nombre maximal de personnes à bord 80 21 personnes
Motorisation
À essence électrique
Moteur Diesel Cummins ISL
(Transm. à 4 ou 5 rapports)
280 (209)
HP (kW)
Capacité du réservoir à essence 610 L
Consommation moyenne
d’essence 56.7
[2] L/100km
Moteur CC à excitation série
36.2 (27.1) HP (kW)
Vitesse nominale du moteur 1890 RPM
Couple maximal du moteur 138 Nm
Capacité des batteries NiNaCl2 71 kWh
Autonomie moyenne 1075[2]
N.D. km
Vitesse maximale du véhicule >100 35 km/h
Poids
Poids total à vide 12 240 3635 kg
Poids maximal admissible N.D. 6280 kg
Masse des batteries 730 kg
Climatisation
Capacité du système de chauffage central 110 000 51 000 BTU/h
Capacité du système de chauffage latéral 40 000 BTU/h
Capacité du système de chauffage pour le chauffeur 75 000 BTU/h
TABLEAU 2 : CARACTÉRISTIQUES TECHNIQUES D’UN AUTOBUS CONVENTIONNEL (NOVABUS LFS [4]) ET D’UN
MICROBUS (TECHNOBUS GULLIVER [8])
15
Ces autobus sont, pour la plupart, munis d’un système de contrôle de la température qui
assure le confort des passagers en toute saison. Au Québec, l’hiver est la saison qui est la
plus critique pour ce système de contrôle. L’habitacle doit être chauffé pour assurer une
température confortable à bord du véhicule par le biais d’un système de chauffage
d’appoint.
Les systèmes auxiliaires électriques sont fournis par deux accumulateurs de 12V en série
qui sont rechargés par une petite génératrice liée au moteur principal.
1.2.2 Les microbus
Les microbus, comme le terme le mentionne, sont de petits autobus pouvant desservir des
A)
B)
FIGURE 4: DIMENSIONS D'UN AUTOBUS CONVENTIONNEL (A) ET D'UN MICROBUS (B). [4, 8]
16
quartiers à des vitesses en deçà de 40 km/h. Ils ne peuvent donc pas être admis sur la voie
autoroutière. Ils mesurent moins de 6 mètres de longueur (figure 4B) et n’ont généralement
que deux essieux.
Le microbus Gulliver de la compagnie Technobus n’a qu’une seule porte assez large et peut
accueillir, dépendamment de la disposition de l’habitacle, jusqu’à 14 personnes assises.
Lorsqu’il est à pleine capacité, l’autobus peut avoir à son bord 24 personnes. Ce type
d’autobus est utilisé sous le nom d’Écolobus pour desservir le quartier du Vieux-Québec de
la ville de Québec. Sa configuration ne permet qu’un maximum de 21 personnes à bord.
L’Écolobus est mu par un système de propulsion entièrement électrique. Les
caractéristiques générales de l’Écolobus en circulation sur les routes du Vieux-Québec sont
présentées dans le tableau 2. Il s’agit d’une version électrique du modèle Gulliver de
Technobus dont quelques modifications ont été apportées pour l’adapter au climat
québécois.
Le véhicule est muni de batteries Sodium-Chlore (NiNaCl2) de la compagnie Zebra. La
capacité totale est de 71 kWh et la température d’opération des batteries doit être maintenue
à 330°C. Le véhicule est muni d’un système de chauffage de base au gazole de la
compagnie Webasto dont l’apport calorifique est supérieur à 15 kW. En hiver, un système
permet de fournir une puissance crête de chauffage de 25 kW pour réchauffer l’atmosphère
suite à l’ouverture des portes. Les batteries alimentent tous les systèmes auxiliaires à
l’exception du système de chauffage de l’habitacle.
L’Écolobus roule à une vitesse maximale de 35 km/h et peut monter des côtes de pente de
plus de 8° (13%). Le plancher du microbus peut s’abaisser pour permettre à des personnes
handicapées de monter dans le véhicule.
L’autonomie est difficile à évaluer pour ce véhicule puisqu’aucune information n’est
donnée quant à l’utilisation de l’énergie des batteries pour la traction ou pour les systèmes
auxiliaires. Qui plus est, elle dépend également de la façon dont le conducteur pilote
l’autobus. La production de gaz à effets de serre de ce type de véhicule, en excluant le
système de chauffage, est dépendante de la façon dont l’électricité a été générée pour
17
recharger les batteries. Il semble intéressant toutefois de mentionner que le Québec produit
son électricité à 96% [43] à partir de l’hydro-électricité, une source d’énergie renouvelable
n’utilisant aucun carburant fossile et dont l’impact environnemental est relativement faible.
Les véhicules automobiles, qu’ils soient légers ou lourds, sont tous composés d’une
structure bien particulière qui fait intervenir plusieurs composants mécaniques et/ou
électriques. La section suivante résume en grande partie l’ensemble de l’architecture d’un
autobus.
1.3 L’architecture mécanique d’un autobus
L’architecture globale d’un autobus est habituellement la même, peu importe la technologie
de propulsion utilisée (électrique ou mécanique). Il s’agit d’un châssis recouvert d’une
carrosserie, qui supporte tous les composants du véhicule ainsi que les passagers, un moteur
servant à propulser le véhicule, une source d’énergie permettant d’alimenter le moteur et un
système d’essieux comportant les roues qui adhèrent à la route et sur lesquelles la force de
traction venant du moteur est appliquée pour faire avancer le véhicule.
Prenons exemple sur l’autobus hybride électrique série présenté à la figure 5 afin de mieux
comprendre son architecture mécanique. La disposition des composants de la structure peut
varier d’un modèle à l’autre, mais cette architecture représente assez bien celle qui sera à
l’étude dans ce travail. Le terme hybride électrique série sera expliqué ultérieurement.
Un autobus de transport urbain est normalement constitué de deux essieux, en raison de la
traction arrière du système de propulsion, qui supportent les roues qui adhèrent à la route.
L’essieu arrière est habituellement lié à un différentiel qui fait le pont entre l’essieu et
l’arbre de révolution qui supporte le système moteur. Dans les autobus à combustion
interne, le moteur est relié à une transmission à plusieurs rapports afin de maximiser la
force et la puissance du moteur en fonction de la charge et de la vitesse du véhicule. Les
véhicules électriques n’utilisent habituellement qu’une transmission à rapport fixe pour
ajuster le couple et la vitesse maximale du moteur en fonction de l’application. Le
composant principal de l’architecture d’un véhicule automobile est bien entendu son
moteur, électrique ou à combustion interne joint à la transmission. Le moteur doit être
18
alimenté par une source d’énergie qui peut être de nature pétrolifère ou électrique
dépendamment du type de moteur utilisé.
Dans le cas d’une architecture basée sur l’utilisation d’un moteur électrique, une interface
d’électronique de puissance doit être mise en place pour faire le lien entre l’alimentation
électrique et le moteur. On appelle habituellement cette interface le contrôleur du moteur
électrique. Dans une architecture hybride série, un moteur à combustion interne sert de
génératrice pour recharger le dispositif de stockage énergétique (DSE) lorsque celui-ci ne
peut plus fournir à lui seul l’énergie nécessaire pour faire avancer le véhicule. En anglais,
un véhicule muni de cette unité génératrice est catégorisé à titre de « Range Extended
Electric Vehicle (EREV) » (figure 2A) comme le mentionne Ehsani dans son livre
« Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles: Fundamentals, Theory, and
Design » [9].
Certains véhicules, comme le EREV de la figure 5, sont munis d’un chargeur interne
permettant de recharger le DSE (ici, les batteries) à partir d’une prise de courant. Le
chargeur et le contrôleur sont souvent des dispositifs qui doivent dissiper une grande
quantité de chaleur pour ne pas surchauffer. On utilise fréquemment des dissipateurs
FIGURE 5 : ARCHITECTURE MÉCANIQUE D'UN AUTOBUS HYBRIDE SÉRIE.
19
thermiques qui évacuent la chaleur pour conserver une température de fonctionnement
normale. Sur certains modèles de véhicules, les systèmes auxiliaires sont alimentés par une
source électrique autonome qui n’est pas reliée au DSE.
Il est à noter que certains autobus sont alimentés par une source électrique extérieure au
véhicule. La présence du DSE est alors obsolète et la structure de l’autobus devient
beaucoup plus simple (élimination du chargeur, de l’unité génératrice et du DSE). Les
autobus basés sur cette structure sont souvent appelés en anglais des « trolleybus ».
Il existe plusieurs configurations quant à l’hybridation de la propulsion d’un véhicule. La
Figure 6 présente celles qui ont été répertoriées sur le marché et bien que chacune possède
ses avantages et ses inconvénients, la configuration parallèle semble mieux se porter aux
autobus comme le mentionne Williamson, S.S. et al. [10].
1.3.1 Configuration hybride série
L’exemple de la figure 5 met en évidence une architecture qui est connue sous le nom
d’hybride série en raison de la façon avec laquelle la force motrice est distribuée sur
l’essieu du véhicule. Selon cette architecture, le moteur électrique est le seul à fournir
l’énergie motrice à l’essieu. Par contre, l’alimentation du moteur électrique provient de
deux (2) sources d’énergie électrique, un dispositif de stockage énergétique (les batteries) et
une unité génératrice (moteur à combustion interne, le MCI), d’où le terme hybride. Le
moteur principal sert également de générateur lors de la récupération de l’énergie de
freinage. Dans ce cas, l’interface électronique de puissance doit être conçue pour fournir de
l’énergie de façon bidirectionnelle.
Puisque le MCI est découplé de l’arbre d’entraînement, cette configuration a l’avantage de
la flexibilité quant à sa disposition et celle de sa génératrice. De plus, puisque le MCI n’est
utilisé que pour produire de l’électricité, il a l’avantage de pouvoir fonctionner en tout
temps dans son régime le plus efficace, optimisant de ce fait sa consommation d’essence. Si
le véhicule est muni d’un dispositif de stockage énergétique (DSE) assez performant pour
fournir à lui seul l’énergie motrice, le groupe MCI/génératrice peut être mis hors service.
20
Dans ce cas, tant que le DSE peut fournir l’énergie, l’économie d’essence est très bonne.
Bien que cette configuration ait l’avantage additionnel de la simplicité de son entraînement,
il n’en demeure pas moins qu’elle fait intervenir trois moteurs : le MCI, la génératrice et le
moteur électrique pour la traction. Qui plus est, chacun de ces composants doit être, en
général, conçu pour produire la puissance maximale nécessaire par le véhicule. En
FIGURE 6 : LES DIVERSES CONFIGURATIONS D’UN HEV (TRADUIT DE L’ANGLAIS DE [7])
21
conséquence, cette configuration est généralement plus énergivore selon Williamson, S.S.
et al. [10].
Dans certaines configurations, le MCI et la génératrice ne sont pas dimensionnés à la
puissance nominale du véhicule. Dans ces cas, le dispositif de stockage énergétique est
utilisé pour fournir l’excès d’énergie nécessaire, que le groupe MCI/génératrice ne peut
produire, pour alimenter le moteur électrique. Le groupe propulseur du modèle Volt de la
compagnie Chevrolet utilise cette configuration hybride série particulière.
1.3.2 Configuration hybride parallèle
Contrairement à la configuration série, le MCI et le moteur électrique ont tous deux la
possibilité de fournir, en parallèle, l’énergie motrice à l’essieu. Cette configuration permet
soit au MCI, au moteur électrique ou aux deux de produire l’énergie motrice. Cette
configuration a l’avantage de ne nécessiter que deux dispositifs de propulsion : le moteur
électrique et le MCI. On évite ainsi la présence de la génératrice mentionnée en 1.3.1. Ces
deux moteurs peuvent également être dimensionnés pour fonctionner en tandem ce qui a
tendance à diminuer le poids global du groupe propulseur, un avantage par rapport à la
configuration hybride série.
Pour cette configuration, le MCI peut être dimensionné pour soutenir une puissance
nominale tandis que le moteur électrique peut l’être pour une puissance inférieure, dans la
mesure ou ce dernier sert de soutient à la propulsion ou tout simplement à la récupération
de l’énergie de freinage.
Bien que le moteur électrique soit couplé à l’arbre d’entraînement, sur certains modèles, il
n’est pas assez puissant pour faire avancer le véhicule par lui-même. On fait référence, dans
la littérature, au terme anglais de « mild hybrid » pour ce type d’architecture. Le MCI est
alors constamment en opération lorsque le véhicule est en mouvement. C’est le cas du
modèle Insight de la compagnie Honda qui n’utilise, dans son architecture IMA (Integrated
Motor Assist), qu’un moteur électrique de faible puissance généralement entre 5 et 15 kW
comme l’indique Abuelsamid, S. dans son article « What is a mild hybrid? » du site web
Autobloggreen [11].
22
1.3.3 Configuration hybride série/parallèle
Cette configuration est une combinaison des deux précédents types d’architecture. Un lien
mécanique vers l’arbre d’entraînement est alors ajouté à la configuration hybride série pour
permettre au MCI d’aider à la propulsion du véhicule. Cette configuration prend ainsi les
avantages des deux précédentes configurations en permettant au MCI de cibler son
rendement optimal lorsqu’il agit en tant que génératrice ou tout simplement s’éteindre.
D’autre part, puisque le MCI peut intervenir dans la propulsion, le moteur électrique et ce
dernier peuvent être dimensionnés pour travailler en tandem, ce qui diminue le poids global
du groupe moteur même avec la présence de l’unité génératrice. Bien qu’elle profite des
avantages des deux précédentes, cette configuration est généralement plus complexe et plus
dispendieuse. Cependant, avec le développement des technologies de contrôle, cette
configuration semble prendre de la popularité pour efficacement réduire la consommation
d’essence des véhicules.
Le premier modèle de véhicule hybride qui a été popularisé dans l’industrie est la Prius de
la compagnie Toyota. Ce modèle utilise ce type de configuration pour propulser le
véhicule. On fait référence, dans le jargon industriel, au terme anglais de « Strong Hybrid »
pour représenter le groupe propulseur hybride qu’est celui de la Prius. Dans ce type de
véhicule hybride, le moteur électrique peut propulser par lui-même le véhicule jusqu’à une
certaine vitesse grâce à sa puissance qui peut varier entre 50 et 70 kW (Prius : 67 kW). Bien
que des pertes supplémentaires soient présentes dans l’architecture mécanique de ce groupe
propulseur, comme le mentionne Staunton, R.H. dans son étude sur la Prius 2003 [12], il
n’en demeure pas moins que les consommations d’essence, enregistrées par l’EPA
(Environmental Protection Agency : l’agence pour la protection de l’environnement aux
États-Unis), en milieu urbain et en autoroute font de la Prius le véhicule automobile léger le
plus économe sur le marché.
1.3.4 Configuration hybride complexe
Cette configuration est semblable à la structure hybride série/parallèle à la différence
qu’elle permet plus de modes d’opération en raison de l’utilisation de la génératrice comme
unité motrice supplémentaire. Bien que cette configuration permette plus de versatilité
23
quant aux modes de conduites, la complexité du système de traction en fait une option plus
onéreuse. Cependant, certains nouveaux modèles hybrides sont conçus pour supporter cette
architecture.
1.3.5 Configuration sélectionnée pour l’étude
Bien que l’exemple de l’autobus présenté à la figure 5 soit pertinent pour l’analyse
dimensionnelle, ce travail se focalisera sur un modèle d’autobus ayant une configuration à
propulsion uniquement électrique. Le diagramme de blocs de la figure 7 présente les
interactions entre les principaux composants de cette architecture. Elle est composée de
trois sous-systèmes qui interagissent ensemble pour faire avancer le véhicule.
Le sous-système de propulsion électrique est au cœur des véhicules électriques. Il consiste
en un moteur électrique, un convertisseur de puissance et un contrôleur électronique. Un
système de transmission mécanique est utilisé pour transférer le couple moteur jusqu’aux
roues. Le moteur électrique convertit l’énergie électrique en énergie mécanique pour
propulser le véhicule, ou vice-versa, pour récupérer l’énergie de freinage et recharger le
dispositif de stockage énergétique à bord en mode générateur. Le convertisseur de
puissance est utilisé pour alimenter adéquatement le moteur électrique tandis que le
contrôleur électronique interprète les signaux de commandes (pédales) pour adapter
l’alimentation du moteur afin de produire le bon couple à la vitesse voulue.
Le sous-système de la source d’énergie est majoritairement composé du dispositif de
stockage énergétique (DSE). L’unité de gestion de l’énergie est utilisée pour optimiser
l’utilisation de l’énergie électrique. Composé d’un ordinateur embarqué, cette unité utilise
parfois des algorithmes complexes pour gérer intelligemment les flux d’énergie entre les
différents systèmes du véhicule. Dans le cas où le DSE serait composé de 2 sources
électriques ou plus, le sous-système pourrait être plus complexe avec l’ajout d’une interface
d’électronique de puissance pour gérer l’interconnexion fluide et efficace entre les sources.
Le sous-système auxiliaire est habituellement utilisé pour alimenter tous les systèmes à
bord autre que le système de propulsion. Une alimentation électrique adaptée est souvent
nécessaire et la source d’énergie est généralement fournie par le DSE.
24
Dans ce type de structure, la transmission du couple de traction du moteur à la roue peut
s’effectuer selon diverses configurations qui ont chacune leurs avantages et leurs
inconvénients (Figure 8) comme le mentionne Chan, C.C. [13].
La structure de la figure 8a constitue la configuration que l’on retrouve dans la majorité des
véhicules automobiles à moteur à combustion interne (MCI). On y trouve le moteur,
l’embrayage, la boîte de vitesse et le différentiel aligné selon l’axe longitudinal de la
voiture. L’embrayage et la boîte de transmission permettent d’offrir un bon compromis
FIGURE 7 : DIAGRAMME DE BLOCS DE LA STRUCTURE D’UN VÉHICULE AUTOMOBILE ÉLECTRIQUE (INSPIRÉ ET
TRADUIT DE [9]).
25
entre le couple et la vitesse pour obtenir le maximum de puissance du moteur en toute
circonstance. Le différentiel est un dispositif muni d’une transmission spéciale qui permet à
une roue de tourner plus rapidement qu’une autre lorsque le véhicule tourne. Cela évite que
l’une des roues dérape lors des tournants et permet une conduite plus fluide et sécuritaire.
Cette configuration est habituellement utilisée pour des véhicules électriques lors des
conversions afin de tirer profit des composants déjà disponibles.
Autrement, ce sont les configurations b et c de la figure 8 qui sont les plus populaires sur le
marché. Elles n’ont pas d’embrayage ni de boîte de transmission ce qui permet de réduire le
FIGURE 8 : LES DIFFÉRENTES FORMES DE TRANSMISSION DU COUPLE MOTEUR VERS LA ROUE (TRADUIT DE [13]).
26
poids du système de propulsion du véhicule. Ces deux composants ont été remplacés par
une transmission fixe qui adapte le couple et la vitesse que peut atteindre un véhicule au
niveau des roues en fonction de l’application. Les moteurs électriques ont une
caractéristique couple/vitesse qui permet l’utilisation d’une seule transmission pour
produire toutes les conditions de traction motrice nécessaire lors de la conduite du véhicule.
Ces configurations sont uniquement disponibles pour des véhicules électriques
puisqu’aucun MCI ne pourrait fonctionner avec une telle architecture, ne pouvant fournir
une caractéristique couple/vitesse acceptable.
La configuration de la figure 8d élimine le différentiel en séparant la motricité pour chaque
roue. Le concept du différentiel est alors assuré électriquement. Bien que cela permette des
gains sur le poids de l’architecture, chaque roue doit être propulsée par un moteur
indépendant l’un de l’autre. De plus, chaque moteur doit être agencé à une transmission
fixe pour adapter les moteurs à l’application visée pour le véhicule. Le système est alors
globalement plus complexe et la commande l’est également. Cependant, cette structure
permet d’utiliser de plus petits moteurs puisque la propulsion est assurée par les deux
moteurs. De plus, la disposition du groupe propulseur peut être divisée en deux ce qui
pourrait permettre certains gains d’espace tout en équilibrant le centre de masse du
véhicule. Néanmoins, il est difficile d’évaluer si cette configuration permet des économies
sur les coûts d’un tel système ou d’évaluer si une telle configuration est avantageuse
comparativement à celle de la figure 8c. Tout dépend évidemment de l’application
recherchée.
Les structures des figure 8e et figure 8f sont connues comme des configurations à moteur-
roue, c’est-à-dire que le groupe propulseur se trouve directement dans la roue ou presque.
Un des avantages considérables de cette approche est qu’elle permette un très bon
rendement énergétique. En éliminant les systèmes mécaniques de transmission du couple
de traction, le groupe propulseur devient beaucoup plus efficace. Bien que ces architectures
permettent des gains substantiels sur le poids du système de traction, elles ont souvent le
désavantage que la masse non suspendue du véhicule augmente. En mettant les moteurs
dans les roues, on les expose à de fortes secousses qui peuvent potentiellement les
endommager à long terme, mais surtout, cela entraîne l’augmentation de la dimension des
27
suspensions. De plus, plus la masse non suspendue augmente, plus le véhicule est
susceptible de déraper et d’affecter la conduite sécuritaire du véhicule.
La disposition des moteurs dans les roues en limite leur dimension. L’objectif de
conception est alors d’augmenter considérablement la densité de puissance (kW/kg et/ou
kW/m3) d’un moteur tout en conservant un rendement de puissance acceptable afin de
permettre à un véhicule de bénéficier de performances convenables. L’augmentation de la
densité de puissance est alors synonyme d’une augmentation des coûts de conception du
moteur sans compter celle des suspensions. C’est une des raisons qui freine le
développement de cette architecture. Malgré tout, cette technologie semble prendre de plus
en plus de popularité et on trouve déjà quelques concepts intéressants sur le marché
comme la Volvo ReCharge [14] ou la Citroën C-Metisse [15].
Pour la présente étude, nous allons nous concentrer uniquement sur des architectures
conventionnelles pour un véhicule électrique telles que celles présentées aux configurations
b et c de la figure 8. Les pertes mécaniques seront alors prises en compte lors de
l’évaluation dimensionnelle du véhicule.
La transmission du couple moteur aux roues du véhicule fait intervenir différents
composants qui permettent d’optimiser la caractéristique couple/vitesse du moteur en toute
circonstance. Ceci est particulièrement important en ce qui a trait au MCI puisque de par sa
conception, celui-ci ne peut, seul, produire le bon couple pour chaque point de la
caractéristique couple/vitesse. Un moteur électrique, quant à lui, se rapproche davantage de
ce qu’un moteur idéal devrait être. Les différences marquées des architectures des véhicules
électriques et à carburants fossiles nous invitent à nous concentrer sur les détails entourant
chacune de ces technologies. Le prochain volet de ce chapitre tente de présenter les
caractéristiques générales entourant chaque type de moteur. Une attention particulière sera
portée sur la caractéristique couple/vitesse de chacun.
1.4 Les types de moteurs
Le moteur est l’unité principale du système de propulsion d’un véhicule automobile. Il est
responsable de la motricité du véhicule. Chaque moteur doit être alimenté par une source
28
d’énergie pour pouvoir fonctionner. Le moteur à combustion interne (MCI) et le moteur
électrique sont les deux types de moteurs les plus répandus pour propulser les véhicules
automobiles aujourd’hui. Chaque moteur possède ses avantages et ses inconvénients, mais,
grâce aux caractéristiques énergétiques très avantageuses des carburants fossiles, le MCI
est, de loin, le système de propulsion le plus utilisé par les véhicules automobiles sur le
marché.
Les moteurs des véhicules sont généralement caractérisés par leur capacité à déplacer une
masse rapidement, c’est-à-dire par leur couple et leur puissance maximale. Lors du
démarrage du véhicule, le moteur devrait idéalement produire un couple très élevé afin de
subvenir aux besoins en termes d’accélération, de montée en côte ou pour pouvoir soulever
de lourdes charges. Le moteur devrait également pouvoir fournir sa puissance maximale sur
toute la plage de vitesse d’opération du moteur. La figure 9A montre la caractéristique
couple/vitesse d’un moteur idéal. Le couple moteur doit être limité pour de faibles vitesses
de rotation du moteur, car autrement, les roues du véhicule déraperaient sous l’effet du
couple de traction trop élevé.
Lorsqu’on atteint la puissance nominale (elle correspond habituellement à la puissance
maximale du moteur), le couple n’est plus constant et décroit hyperboliquement. Le moteur
électrique possède une caractéristique couple/vitesse comparable à celle d’un moteur idéal
tandis que celle du moteur à combustion est loin d’y correspondre.
1.4.1 Moteur à combustion interne
Le moteur à combustion interne (MCI) est généralement constitué de cylindres creux dans
lesquels sont installés des pistons qui, à la suite d’une explosion, font révolutionner un
vilebrequin qui est lié mécaniquement à un ou plusieurs essieux. Avant l'explosion, un
mélange de carburant et d'air est injecté et comprimé dans les cylindres. La synchronisation
des explosions des cylindres permet la production d’un couple sur le vilebrequin et le fait
tourner.
Contrairement à la caractéristique couple/vitesse d’un moteur idéal pour un véhicule
automobile, celle du moteur à essence (figure 9B) produit la puissance maximale à des
29
vitesses de révolution élevées. À mesure que la vitesse du moteur augmente, le couple
décroît. De plus, le couple n’est pas maximal à bas régime. Une bonne qualité de
combustion et le torque maximal du moteur sont atteints à des vitesses intermédiaires. Afin
d’adapter la caractéristique couple/vitesse à celle d’un entraînement viable pour un
véhicule, on introduit dans le groupe propulseur un système de transmission à plusieurs
rapports qui aura l’effet de déplacer la caractéristique sur le graphique afin de se coller le
mieux possible à celle d’un moteur idéal (figure 10).
L’ajout du système de transmission permet d’adopter une allure de la caractéristique
couple/vitesse afin de répondre aux besoins de motricité d’un véhicule automobile.
Cependant, l’efficacité globale du groupe propulseur en est affectée. Effectivement, des
pertes sous forme de friction apparaissent dans la transmission du couple de traction aux
roues ce qui diminue le rendement énergétique du groupe propulseur.
Les moteurs électriques, quant à eux, possèdent, pour la plupart, une caractéristique
couple/vitesse qui se rapproche davantage de l’idéal.
1.4.2 Moteur électrique
Contrairement au moteur à combustion interne, le moteur électrique produit un couple
maximal constant pour de faibles vitesses, et ce, jusqu’à ce que le moteur atteigne sa vitesse
de base, vitesse pour laquelle le moteur atteint sa puissance maximale (figure 9C). Pour des
vitesses modérées à élevées, le moteur peut maintenir sa puissance constante tandis que le
A) B) C)
FIGURE 9 : CARACTÉRISTIQUES COUPLE/VITESSE SANS ENGRENAGE D'UN MOTEUR IDÉAL (A), À COMBUSTION
INTERNE (B) ET ÉLECTRIQUE (C). TRADUIT DE [9]
30
couple décroît hyperboliquement. Le moteur électrique n’est pas pourtant idéal puisque le
couple maximal atteignable est limité de par la conception de la machine. Il est à noter que
la caractéristique couple/vitesse, tel que présenté à la figure 9C, est obtenue à partir de
l’entraînement d’un moteur électrique. Cela signifie que le moteur électrique est commandé
par un contrôleur tel que montré à la figure 7. En théorie, certains moteurs électriques
peuvent fournir un couple constant sur presque toute la plage de vitesse nécessaire au
fonctionnement d’un véhicule électrique. C’est le convertisseur, unité d’électronique de
puissance faisant le pont entre la source et le moteur, qui limite le fonctionnement du
moteur sur toute la plage de vitesse. Généralement, plus la vitesse du moteur augmente,
plus sa tension d’alimentation doit être élevée pour maintenir le moteur à cette vitesse.
Cependant, il existe des moyens de le faire fonctionner à des vitesses qui dépassent le point
maximal de fonctionnement du convertisseur sans l’endommager. Le contrôleur du
convertisseur doit alors modifier sa stratégie de commande pour s’assurer que celui-ci
n’atteigne pas sa limite de fonctionnement.
La section suivante est en grande partie inspirée d’un travail réalisé par Dehlinger, N [16]
de lectures dirigées sur l’ouvrage de Ehsani, M., et al. [9] et relate des différences entre les
moteurs électriques utilisés sur le marché.
Dans la littérature, concernant les applications de traction électrique, on retrouve l’emploi
de la plupart des différents types de moteurs existants. Il est difficile de privilégier un type
FIGURE 10 : CARACTÉRISTIQUES DE L'EFFORT DE
TRACTION D'UN MOTEUR À COMBUSTION INTERNE
CONVENTIONNEL. TRADUIT DE [9]
31
de moteur employé dans la propulsion électrique des véhicules par rapport à un autre.
Chaque type de moteur possède ses avantages et inconvénients dans une application de
traction spécifique. Nous ne pouvons donc que nous contenter d’esquisser des tendances
d’utilisation de différents types de moteurs.
On peut toutefois classer les moteurs électriques utilisés dans les applications de traction en
deux familles principales : les moteurs avec commutateurs et les moteurs sans
commutateurs. Les moteurs avec commutateurs sont traditionnellement les moteurs à
courant continu alors que les moteurs sans commutateurs sont les moteurs asynchrones, les
moteurs synchrones et les moteurs à réluctance variable.
La figure 11 présente une classification des différents moteurs utilisés dans les applications
de traction.
Il est possible de dire que les moteurs avec commutateurs sont moins adaptés aux
applications sans entretien et à vitesses élevées à cause des commutateurs. À l’inverse, les
moteurs sans commutateurs sont connus pour être plus fiables.
Les moteurs à courant continu ont longtemps dominé les applications de traction pour
plusieurs raisons dont les principales sont :
ils utilisent une technologie relativement mature;
leur contrôle est relativement simple et ne nécessite pas l’utilisation de
convertisseurs complexes dans une application embarquée.
Cependant, ils présentent les inconvénients suivants :
la nécessité d’utilisation de commutateurs les rend moins adaptés à la haute vitesse
ce qui ne permet pas de bénéficier d’une plage de puissance constante très étendue;
les moteurs à courant continu sont par conséquent moins fiables et nécessitent des
opérations de maintenance (entretien des balais);
32
le rendement de ces moteurs est relativement faible s’il est comparé à celui des
moteurs synchrones.
Les avancées technologiques en matière de stratégies de contrôle et des composants de
puissance favorisent aujourd’hui les moteurs sans commutateurs dans les applications de
traction. Le moteur asynchrone a peu à peu remplacé le moteur à courant continu dans les
véhicules électriques et ceci pour plusieurs raisons :
son faible coût de fabrication;
sa fiabilité et sa robustesse : l’absence de balais et bagues en fait un moteur de choix
dans les applications sans entretien;
une densité de puissance et un rendement plus élevés que ceux offerts par les
moteurs à courant continu;
une habilité à pouvoir être employé dans des environnements hostiles.
Cependant, les inconvénients de l’emploi d’un moteur asynchrone dans une application de
traction sont les suivants :
une stratégie de contrôle relativement complexe : nécessite parfois l’utilisation du
contrôle vectoriel. Cette complexité s’accroît lorsqu’on désire étendre la plage de
puissance constante;
FIGURE 11 : CLASSIFICATION DES MOTEURS ÉLECTRIQUES UTILISÉS POUR PROPULSER LES VÉHICULES ÉLECTRIQUES
ET HYBRIDES ÉLECTRIQUES. TIRÉ ET TRADUIT DE [9]
33
un convertisseur de puissance plus compliqué que celui du moteur à courant
continu.
Avec le développement récent de puissants aimants permanents, les moteurs synchrones à
aimants permanents entrent en compétition directe avec les machines asynchrones. Les
constructeurs de véhicules électriques privilégient de plus en plus l’emploi de ce moteur.
Les avantages de ce type de moteurs dans la traction électrique sont :
une forte densité de puissance qui permet de fabriquer des moteurs relativement
compacts et légers. La densité de puissance de ce type de moteur est plus élevée que
celles des moteurs asynchrones et à courant continu;
un rendement élevé;
une fiabilité élevée et une facilité de refroidissement.
Les inconvénients liés à l’emploi de ce type de moteur sont les suivants :
un coût plus important que celui des machines asynchrones principalement à cause
des aimants permanents et de leur construction sophistiquée.
une plage de puissance constante plus faible que celle des deux autres types de
moteurs présentés à cause de la présence d’aimants permanents, source de champ
inextinguible;
Une stratégie de contrôle et un convertisseur relativement complexes si on les
compare à ceux utilisés dans le cas de la machine à courant continu.
Depuis peu, un autre type de moteur attire l’attention des fabricants de véhicules
électriques : le moteur à réluctance variable. Ses avantages sont les suivants :
Une construction relativement simple et des coûts de fabrications faibles;
Une fiabilité et une robustesse élevées;
Une plage de puissance constante très étendue;
34
Un rendement élevé.
Cependant, les inconvénients liés à l’emploi de ce type de moteur sont les suivants :
Génération de bruit acoustique et d’ondulations de couple non négligeables;
Nécessité de l’emploi d’un convertisseur relativement spécial;
Contrôle complexe.
Après cette description exhaustive des avantages et inconvénients des différents types de
moteurs principalement employés dans les applications de traction, le choix d’un moteur
pour une telle application n’est pas évident. Il est impossible d’affirmer qu’une structure de
moteur prime sur les autres. Lors du choix d’un type de moteur pour la fabrication d’un
système de propulsion, il est nécessaire de bien cerner les exigences du cahier des charges
(coût du moteur, coût du convertisseur, compacité, hybride, tout électrique, type de
propulsion…).
1.5 Le frein régénératif
Une des principales caractéristiques utilisée par les véhicules hybrides électriques pour
réduire leur consommation en carburant est leur capacité à récupérer une partie de l'énergie
de freinage qui, autrement, serait perdue sous forme de chaleur. La plupart des machines
électriques, si leur système de contrôle le permet, peuvent fonctionner séquentiellement en
mode moteur ou en mode générateur.
Lorsque le conducteur du véhicule appuie sur la pédale de frein, le contrôleur active le
mode générateur de la machine électrique et une partie de l’énergie de freinage peut être
utilisée pour recharger le dispositif de stockage énergétique (DSE) si celui-ci le permet.
C’est ce qu’on appelle le frein régénératif. Le contrôleur peut également détecter si le
conducteur n’appuie sur aucune pédale afin d’enclencher le mode générateur. On peut alors
prendre profit de l’énergie potentielle du véhicule lorsqu’il descend une côte pour régénérer
le DSE.
35
Étant donné que le parcours de l’énergie récupérée du freinage est caractérisé par des
composants électroniques non idéaux (convertisseur de puissance), le rendement de
récupération ne sera jamais unitaire (< 100%). Néanmoins, cette technologie est un élément
clé permettant à un véhicule électrique ou hybride électrique de diminuer sa consommation
d’énergie électrique. Dans le cas d’un véhicule hybride électrique, cela se traduit
directement par une diminution de la consommation d’essence puisque l’énergie électrique
récupérée peut être réutilisée pour faire propulser le véhicule électriquement. L’énergie
totale de traction fournie par le moteur est convertie en partie en énergie cinétique.
Naturellement, le véhicule en mouvement est ralenti par des forces de résistance telles que
la force aérodynamique. Lorsque le véhicule ralentit ou freine, cette énergie cinétique est
convertie en pertes soit par friction sur les disques des freins soit par la trainée produite par
le profil aérodynamique du véhicule. Le tableau 3 présente la proportion de l’énergie totale
de traction consommée par le freinage et par la traînée. Ce tableau indique que l’énergie de
freinage en milieu urbain typique peut atteindre plus de 25% de l’énergie totale de traction.
Dans les grandes villes comme celle de New York, cette proportion peut s’élever jusqu’à
70%. Selon Y. Gao et M. Ehsani [17], un système de freinage régénératif efficace peut
significativement réduire la consommation d’essence des véhicules hybrides électriques
(HEV) et hybrides rechargeables (PHEV) surtout en milieu urbain.
Les véhicules à propulsion électrique, dont la source électrique est munie de batteries
électrochimiques ou encore de dispositifs de stockage électrostatique (supercapacités), sont
fortement défavorisés en termes d’autonomie (faible densité énergétique de la source)
comparativement à ceux qui utilisent des carburants fossiles. Le frein régénératif vient
épauler le contrôleur du véhicule afin d’améliorer l’autonomie d’un véhicule uniquement
électrique afin de se rapprocher le plus près possible de celle d’un véhicule à essence.
Afin de mieux comprendre l’enjeu entourant les sources d’énergie électrique dans les
véhicules électriques, la section suivante tient à présenter les types de dispositifs utilisés
pour fournir l’énergie électrique qu’ils ont besoin en comparaison avec l’essence ordinaire.
36
1.6 Les dispositifs de stockage énergétique dans les véhicules
Les dispositifs de stockage énergétique, comme le nom le laisse supposer, sont les unités
qui entreposent l’énergie nécessaire pour alimenter les moteurs. On parle aussi de source
d’énergie, mais, pour être plus précis, on utilise le terme de dispositif de stockage
énergétique (DSE) car certains d’entre eux peuvent être composés de plus d’une source
d’énergie.
Parmi les principales sources utilisées dans les DSE, on retrouve celles à base
d’hydrocarbures comme l’essence ou le diésel; celles qui emmagasinent l’électricité comme
les piles électrochimiques (batteries) ou les supercapacités; celles à base d’hydrogène
comme les piles à combustible ou simplement l’hydrogène à combustion et les autres types
tels que les volants d’inertie. Bien que chaque source ait ses avantages et ses inconvénients,
le présent travail se consacrera davantage sur les sources qui emmagasinent l’électricité.
Par souci de comparaison, l’essence sera évaluée comme une référence pour démontrer le
monopole que cette source a pu aller chercher sur le marché de l’automobile.
FTP 75
Urban
FTP 75
Highway US06 ECE-1
New York
City
Vitesse maximale (km/h) 86.4 97.7 128.5 120 44.6
Vitesse moyenne (km/h) 27.9 79.3 77.5 49.9 12.2
Énergie totale de traction (kWh) 10.47 10.45 17.03 11.79 15.51
Énergie totale consommée par la
résistance aérodynamique (kWh)a
5.95 9.47 11.73 8.74 4.69
Énergie totale consommée par le
freinage (kWh)a
4.52 0.98 5.30 3.05 10.82
Ratio de l’énergie de freinage sur
l’énergie de traction totale (%) 43.17 9.38 31.12 25.87 69.76
aMesurée au point de contact des roues sur la route.
TABLEAU 3 : VITESSE MAXIMALE, VITESSE MOYENNE, ÉNERGIE TOTALE DE TRACTION ET ÉNERGIES CONSOMMÉES
PAR LA RÉSISTANCE AÉRODYNAMIQUE ET PAR LE FREINAGE POUR UNE DISTANCE DE PARCOURS DE 100KM POUR
DIFFÉRENTS PROFILS DE CONDUITE.
37
1.6.1 L’essence
La figure 12 présente les principales caractéristiques d’intérêt des sources d’énergie :
l’énergie spécifique (Wh/kg) et la puissance spécifique (W/kg). L’énergie spécifique
donne une indication de la capacité d’un dispositif de stocker de l’énergie par unité de
masse. La puissance spécifique montre, quant à elle, la capacité d’un dispositif de fournir
de l’énergie en très peu de temps. Ces données ont été fournies par le département
d’énergie des États-Unis (DOE).
L’énergie spécifique de l’essence ordinaire (à taux d’octane de 87) utilisée par les véhicules
automobiles est tout simplement phénoménale. Il a été évalué, par Hoogers, G [18] et par le
DOE américain [19], que dans un kilogramme d’essence, on peut soutirer plus de 12 kWh
d’énergie. Non seulement cette source est dense en énergie, mais elle est permettrait
également de fournir une puissance spécifique de plus de 50 kW par kilogramme. La figure
12 illustre à quel point cette forme d’énergie possède tous les atouts pour en faire la source
par excellence des véhicules automobiles actuellement.
Cependant, en utilisant un MCI, le rendement de transformation de l’énergie du pétrole en
énergie mécanique est très faible dans la plupart des véhicules automobiles et il varie autour
de 20 à 25%. C’est le quart de ce que l’essence peut fournir. Le reste de l’énergie est perdue
en chaleur. Autrement dit, il n’est nul besoin d’utiliser une chaufferette dans la plupart des
véhicules automobiles légers en climat hivernal. Il suffit de filtrer et souffler l’air chaud
provenant du compartiment moteur vers l’habitacle pour assurer le chauffage des passagers.
Il reste donc environ trois (3) sur les 12 kWh par kilogramme d’essence qui peuvent être
utilisés pour assurer l’autonomie du véhicule. L’autonomie d’un véhicule est directement
reliée à la quantité d’énergie emmagasinée dans le véhicule, que ce soit sous forme
d’essence dans un réservoir ou sous forme électrique dans des batteries par exemple. Il
suffit souvent d’un réservoir de quelques dizaines de litres (30 à 70 litres pour les véhicules
automobiles légers) pour assurer une autonomie qui peut dépasser les 1000 km.
Les carburants fossiles se sont imposés sur le marché du stockage énergétique des véhicules
grâce à leurs performances, mais l’impact environnemental provoqué par leur utilisation
38
massive a forcé les institutions gouvernementales et scientifiques à se pencher sur l’étude
de sources alternatives pour assurer l’autonomie et les performances des véhicules
automobiles. Les batteries et les supercapacités sont parmi les candidats les plus aptes à
pouvoir remplacer les carburants fossiles à long terme.
1.6.2 Les batteries
Les batteries, ou piles d’accumulateurs sont des dispositifs qui emmagasinent l’énergie
sous forme chimique. Chaque batterie est constituée de plusieurs cellules composées
chacune de deux (2) électrodes baignant dans une solution électrolytique. C’est l’interaction
entre les électrodes et la solution qui convertit l’énergie chimique en énergie électrique lors
de la décharge et le contraire lors de la charge. Les détails entourant la conception d’une
pile et sa réaction chimique propre sont bien expliqués dans les travaux de Ehsani, M., et al.
[9] et de Kiehne, H.A. [20].
Comparativement aux carburants fossiles, comme l’essence, ces dispositifs peuvent
emmagasiner beaucoup moins d’énergie par unité de masse. Cependant, il apparaît
important de mentionner que les performances des batteries en termes d’énergie spécifique
FIGURE 12 : ÉNERGIE SPÉCIFIQUE ET PUISSANCE SPÉCIFIQUE DE QUELQUES DISPOSITIFS DE STOCKAGE
ÉNERGÉTIQUE. (TRADUIT DE [19] TEL QUE FOURNIT PAR LE DÉPARTEMENT D’ÉNERGIE DES ÉTATS-UNIS.)
39
et de puissance spécifique dépendent de plusieurs éléments qui peuvent être explicités par
le modèle équivalent du circuit interne d’une pile (figure 13).
La tension de la cellule est un paramètre qui varie évidemment selon la chimie des
composants des électrodes positives et négatives. Généralement, plus la tension est élevée
et plus la cellule peut emmagasiner de l’énergie. Si on veut maximiser l’énergie spécifique,
on cherche une combinaison d’électrodes qui produisent une tension élevée à leurs bornes,
mais dont le poids est minimal. Cependant, le choix des électrodes est contraint par la
nature chimique de la réaction entre les électrodes et leur électrolyte. Par exemple, on ne
peut pas utiliser d’électrodes à métaux alcalins, comme le Lithium, avec un électrolyte
aqueux puisque ces métaux réagissent fortement avec l’eau.
La résistance ohmique est inévitable, peu importe la pile et correspond à la résistance qu’on
les électrons à se déplacer d’une électrode à l’autre. Cette résistance de conduction est
constante. La résistance interne est liée à la réaction chimique de la cellule. Elle représente
la variation de potentiel provoqué par la décharge ou la charge de la cellule. Plus le courant
circulant dans la cellule est important, plus la variation de tension sera importante et plus la
cellule s’échauffera. Elle limite donc la quantité d’énergie qui peut sortir par unité de
temps. Autrement dit, c’est la résistance interne de la cellule qui affecte le plus la puissance
spécifique d’une cellule.
Les critères de performances qui justifient le choix d’une batterie plutôt qu’une autre fait
non seulement intervenir la puissance et l’énergie spécifique, mais également leur cycle de
vie (ou durée de vie) et leur rendement de conversion de l’énergie chimique/électrique et
vice versa. Le cycle de vie d’une batterie fait référence au nombre de charge et de décharge
qu’elle peut supporter avant qu’elle ne devienne inutilisable. Ce critère est important pour
assurer la durée de vie d’une batterie et influencera le choix d’une technologie plutôt
qu’une autre si l’objectif du design d’un dispositif de stockage énergétique est de fournir
une longévité la plus élevée que possible.
Le rendement énergétique de conversion agit sur l’autonomie et le poids du dispositif de
stockage énergétique. Plus le rendement est bas, plus la batterie doit être volumineuse et
lourde pour respecter des critères d’autonomie. Si le rendement est bas, cela signifie qu’une
40
grande partie de l’énergie chimique est transformée sous forme de chaleur. Or, les cellules
électrochimiques sont sensibles aux pointes de température de telle sorte qu’un dispositif
muni d’une batterie avec un faible rendement doit obligatoirement être équipé d’un système
de dissipation de la chaleur très performant afin d’éviter que la batterie fonctionne dans des
plages de température non conformes. Ce système de dissipation s’ajoute nécessairement
au poids et au volume du dispositif ce qui influence nécessairement sa puissance et son
énergie spécifique globale.
Il existe de nombreuses compositions chimiques pour produire des piles. Elles ont toutes
leurs avantages et inconvénients et il semble approprié de mentionner que chaque sorte peut
s’adapter à une application qui lui est particulièrement propice. Cependant, la recherche et
le développement des cellules ont favorisé certaines piles plutôt que d’autres afin de servir
le marché des véhicules électriques. Parmi les plus populaires sur le marché actuel, on
retrouve les batteries Acide-Plomb et les batteries à base de Nickel comme les batteries «
Nickel Metal Hydride » (Toyota Prius, Honda Insight 2010), Nickel/Fer, Nickel/Zinc ou
encore les batteries Nickel/Cadmium. On remarque de plus en plus l’arrivée sur le marché
des batteries à base de Lithium comme les batteries Li-ion ou les batteries
Lithium/Polymer. Ces batteries sont actuellement largement étudiées et se retrouvent dans
V
0: tension de la cellule
R
int: Résistance interne
R
ohm: Résistance ohmique
R
ch: Résistance de charge
V
t: Tension de charge
FIGURE 13 : MODÈLE DU CIRCUIT ÉQUIVALENT D’UNE BATTERIE. TIRÉ DE [9].
41
de nombreux projets expérimentaux. Elles sont considérées par plusieurs comme la
technologie de batterie la plus propice à répondre aux besoins du marché dans un avenir à
court et moyen terme.
1.6.2.1 Les batteries Acide/Plomb
Ces batteries sont largement utilisées dans le marché des véhicules électriques en raison de
la maturité de leur technologie. Elles ont également l’avantage d’être peu coûteuses,
relativement dense en puissance et d’avoir un bon cycle de vie. Ces avantages combinés de
ce type de batterie en font un choix intéressant pour l’alimentation des véhicules hybrides
électriques légers (Mild HEV) où la puissance est le premier facteur d’intérêt.
Les batteries Acide/Plomb souffrent néanmoins d’un désavantage de taille qui limite le
déploiement de cette technologie sur le marché des véhicules à traction uniquement
électrique. Leur densité d’énergie est faible en raison du poids moléculaire élevé du plomb.
La caractéristique thermique de cette batterie limite radicalement son utilisation en climat
hivernal. En effet, sous les 10°C, leur énergie et leur puissance spécifique sont fortement
diminuées.
Les avancées dans le développement de ces batteries ont permis aux constructeurs de
produire des batteries pouvant emmagasiner jusqu’à 43 Wh/kg, produire plus de 285 W/kg
de puissance et offrir un cycle de vie de plus de 600 cycles comme le mentionnent Ehsani,
M., et al. [9] et Kiehne, H.A. [20].
1.6.2.2 Les batteries à base de Nickel
Le nickel est un métal plus léger que celui du plomb et possède de très bonnes
caractéristiques électrochimiques désirables pour des applications de batteries. Les
principales combinaisons électrochimiques impliquant le nickel sur le marché sont les
batteries Nickel/Cadmium (NiCd) et Nickel Métal Hydride (NiMH).
La première batterie Nickel/Cadmium a été développée peu après les batteries
Acide/Plomb. Ses avancées technologiques lui ont permis de s’imposer comme étant l’une
des plus aptes à faire compétition aux batteries Acide-Plomb sur le marché des piles
alcalines rechargeables. Parmi ses principaux avantages, on note une énergie spécifique
42
(40-60 Wh/kg) supérieure à celle des batteries Acide-Plomb, une bonne puissance
spécifique (220 W/kg), une très bonne tolérance aux abus mécaniques et aux décharges très
intenses sans affecter la capacité de la batterie ou même de la détériorer. De plus, elles ont
l’avantage de pouvoir soutenir jusqu’à 2000 cycles (en décharge profonde) et peuvent être
entreposées déchargées pendant de très longues périodes sans problème.
Cependant, le Cadmium a le désavantage d’être extrêmement toxique et cancérigène ce qui
cause un danger environnemental potentiellement hasardeux. De plus, le nickel et le
cadmium sont des matériaux plus chers que le plomb affectant à la hausse le coût de
fabrication de la batterie. Les batteries à base de Nickel ont également le désavantage de se
décharger rapidement par elles-mêmes. À titre d’exemple, le taux de décharge d’une
batterie NiCd est d’environ 20% de sa charge par mois.
En 1992, les batteries NiMH ont fait leur apparition dans l’optique de remplacer le
Cadmium de la composition chimique de la batterie afin d’éliminer sa toxicité. Elles sont
dotées d’à peu près les mêmes caractéristiques que celles des batteries NiCd. De plus, son
énergie spécifique est supérieure à cette dernière. Ces avantages ont été suffisants pour que
la batterie NiMH remplace petit à petit la batterie NiCd dans la plupart des applications
associées aux véhicules électriques et hybrides électriques. De nombreuses améliorations
ont été apportées pour ce type de batterie et il semble possible d’obtenir une batterie dont
l’énergie spécifique tourne autour de 70 à 95 Wh/kg et la puissance spécifique autour de
200 à 300 W/kg selon Ehsani, M., et al. [9].
Malheureusement, cette batterie souffre toujours des problèmes inhérents aux batteries à
base de Nickel. Son taux de décharge est élevé et elle est sujette à ce qu’on appelle, dans le
jargon des batteries, l’effet mémoire. Si la batterie est systématiquement déchargée au
même niveau à chaque cycle, la batterie retiendra ce niveau comme étant le niveau de
charge minimale de la batterie même si ce niveau ne correspond pas au niveau de charge
minimale théorique de cette batterie. La capacité de la batterie est alors affectée à la baisse.
43
1.6.2.3 Les batteries à base de Lithium
Le Lithium est le métal le plus léger sur terre. Non seulement est-il apte à l’utilisation pour
la confection des batteries, mais il possède également de très bonnes propriétés
électrochimiques. Il permet, entre autres, une tension thermodynamique très élevée ce qui
se traduit par une énergie spécifique largement supérieure à tous les autres types de
batteries décrites jusqu’ici.
La batterie à base de Lithium est vue comme étant celle la plus apte à répondre aux besoins
du secteur automobile en termes d’autonomie et de puissance. Parmi ses nombreux
avantages, on note principalement :
une énergie spécifique très élevée. Elle peut atteindre entre 100 et 160 Wh/kg selon
Ehsani, M., et al. [9];
une très bonne puissance spécifique. Certaines batteries orientées en puissance
peuvent délivrer jusqu’à 1350 W/kg selon Ehsani, M., et al. [9];
un taux d’autodécharge très faible comparativement aux autres types de batteries. À
température adéquate, certaines batteries ne perdent que 5 à 10% de leur capacité en
10 ans selon Kiehne, H.A. [20]. Elles ont une durée de vie exceptionnelle avant
usage;
aucun effet mémoire;
peu d’impact sur l’environnement;
une plage d’utilisation de la capacité élevée. Autrement dit, il est possible de
décharger une batterie à base de Lithium chargée à 100% à un niveau relativement
bas sans l’endommager;
un rendement de charge et de décharge supérieur selon Kim, B.G. et al. [21].
Les batteries à base de Lithium peuvent être construites selon des besoins en termes de
puissance ou d’autonomie. À titre d’exemple, le producteur de batteries SAFT a développé
44
une batterie Lithium-Ion (Li-Ion) à haute puissance capable de délivrer 1350 W/kg, mais
n’ayant que 85 Wh/kg d’énergie spécifique. Ils ont également développé une batterie Li-Ion
à haute énergie avec plus de 150 Wh/kg et délivrant jusqu’à 420 W/kg d’après Ehsani, M.,
et al. [9].
Le Lithium est cependant un métal plus rare que le nickel ou le plomb ce qui rend les
batteries plus dispendieuses. Auparavant, ces batteries étaient conçues pour répondre à des
applications très sophistiquées et, étant donné leurs coûts importants, n’étaient relayées
qu’aux domaines militaire et aérospatial. Avec le développement des méthodes de
conception et de production, le coût de ces batteries tend à diminuer, mais reste
relativement élevé. Il s’agit d’une technologie qui est sujette à un développement accéléré
suite aux investissements massifs dans la recherche et le développement, mais il faudra
attendre encore quelques années avant de voir arriver sur le marché des batteries à base de
Lithium à haute performance viables pour le secteur automobile.
1.6.3 Les supercapacités
En raison de la fréquence des arrêts et départs des véhicules évoluant en milieu urbain, le
profil de charge et de décharge du dispositif de stockage énergétique (DSE) peut être très
varié. Conséquemment, la puissance moyenne requise du DSE est beaucoup plus faible que
la puissance de crête observée lors d’une accélération importante ou de la montée d’une
colline. Le ratio de la puissance de crête sur la puissance moyenne peut même dépasser
10:1 selon Ehsani, M., et al. [9].
En fait, l'énergie impliquée dans les pointes d'accélération et de décélération est d'environ
deux tiers de la quantité totale d'énergie disponible sur l'ensemble de la mission du véhicule
en conduite urbaine. Lors de la conception des véhicules hybrides soumis à des profils de
conduite caractérisés par de nombreux arrêts et départs, la capacité en puissance du DSE
prévaut sur sa capacité en énergie et influence davantage son dimensionnement. La
technologie actuelle basée uniquement sur des batteries nécessite que la conception d’un
DSE résulte d’un compromis entre énergie spécifique, puissance spécifique et cycle de vie
La difficulté d’obtenir simultanément des valeurs élevées de l'énergie spécifique, de la
puissance spécifique ainsi que du cycle de vie a conduit à certaines suggestions proposant
45
que le DSE des véhicules électriques et hybrides électriques soit composé de l’hybridation
d’une source de puissance et d’une source d’énergie. La source d'énergie, principalement
des batteries, présente une énergie spécifique élevée alors que la source de puissance
propose une puissance spécifique supérieure. La source de puissance qui a reçu le plus
d’attention pour cette application est la supercapacité.
Les supercapacités emmagasinent l’énergie électrique en séparant physiquement les
charges négatives et positives contrairement aux batteries qui le font chimiquement. La
charge qu’elles emmagasinent peut être comparée à l’électricité statique qui peut
s’accumuler sur un ballon, mais à beaucoup plus grande échelle grâce à la très grande
surface des matériaux poreux à l’intérieur.
Une supercapacité, aussi appelée en anglais « double-layer capacitor », emmagasine
l’électricité sous forme électrostatique. Bien qu’elle soit un dispositif électrochimique,
aucune réaction chimique n’est impliquée dans le mécanisme d’emmagasinage de l’énergie.
Ce mécanisme est hautement réversible et peut se répéter des centaines de milliers de fois
ce qui confère aux supercapacités une durée de vie très importante. En fait, ces dispositifs
peuvent aisément supporter plus de 500 000 cycles selon Maxwell Technologies [22], ce
qui leur donne un avantage considérable comparativement aux batteries. De plus, leur
rendement de décharge et de recharge est excellent et, peu importe les conditions, pour
certains modèles, il sera toujours d’au moins 95% selon Williamson, S.S., et al [23].
La vitesse de charge ou de décharge des supercapacités est uniquement limitée par la nature
physique de ses matériaux. Autrement dit, elles ont une puissance spécifique tout
simplement phénoménale. Certains produits vendus par le fabricant Maxwell Technologies
peuvent délivrer jusqu’à 26 kW de puissance par kilogramme [22]. Cette caractéristique
avantageuse se rapproche de celle de l’essence (50 kW/kg). Quoique ces capacités peuvent
emmagasiner beaucoup plus d’énergie (environ 1000 fois plus) que les condensateurs
électrolytiques standards, il reste que ces dispositifs ne peuvent emmagasiner qu’une très
petite quantité d’électricité comparativement aux batteries. En conséquence, leur énergie
spécifique se situe typiquement entre 2.5 et 5 Wh/kg. Selon Advanced Capacitor
46
Technologies [24], certains dispositifs en production peuvent atteindre jusqu’à 15 Wh/kg
au dépend cependant d’une puissance spécifique moindre.
C’est leur capacité à se charger et se décharger très rapidement qui confère aux super
condensateurs un attrait particulier au secteur automobile et plus particulièrement aux
constructeurs de véhicules évoluant en milieu urbain. À titre d’exemple, la nature d’un
profil de conduite d’un autobus en milieu urbain, caractérisé par de fréquents arrêts et
départs, se porte très bien à l’application de ces dispositifs. Lors des pointes d’accélération,
les supercapacités sont largement en mesure de fournir la puissance nécessaire, puis lors
des décélérations, l’énergie de freinage peut être, à nouveau, rapidement emmagasinée dans
les supercondensateurs en prévision du prochain départ brusque. Malheureusement, la
faible énergie spécifique et le coût élevé par kWh ont freiné le déploiement de cette
technologie.
Grâce au rendement très élevé de ces dispositifs, le processus peut être très efficace et ne
souffrir que de très peu de pertes. En dissociant la demande en énergie et en puissance d’un
DSE, il est possible de procéder à l’optimisation de la masse et du volume du dispositif afin
de répondre aux critères de performance requis pour une application donnée. Dans le
contexte d’un autobus de transport urbain, on emprunte le terme de mission pour
représenter une application typique de transport de passagers. Une mission consiste en fait
à parcourir une distance fixe caractérisée par un profil de conduite spécifique. Au cours de
cette mission, le véhicule peut être exposé à un climat variable et à un parcours comportant
des sections dont la déclivité peut être non nulle. Afin de mieux comprendre ce qu’implique
le concept de mission et tout ce qui l’entoure, la prochaine section s’y consacre plus
particulièrement.
1.7 La mission d’un véhicule
Afin d’évaluer les performances d’un véhicule, les constructeurs automobiles ont l’habitude
de les tester en les exposant à des conditions de conduite particulières. La plupart du temps,
les véhicules empruntent des parcours typiques dont chacun correspond à un profil de
conduite caractérisé par diverses accélérations et décélérations. Par exemple, pour évaluer
la capacité d’un véhicule à accélérer rapidement, les autorités et les constructeurs vont
47
utiliser un parcours linéaire sur lequel le véhicule devra accélérer de 0 à 100 km/h. La
plupart du temps, on effectue des tests routiers pour évaluer les performances ou tester les
composants d’une voiture lorsqu’elle est exposée à la réalité. Dans certains cas, on peut
utiliser des instruments particuliers pour évaluer les véhicules selon leur consommation
d’essence et leurs émissions de polluants sans avoir à utiliser la route. On utilise notamment
un dynamomètre, instrument sur lequel on installe les roues du véhicule et qui mesure sa
vitesse. Pour ce faire, on impose un profil de conduite standard au véhicule. Les véhicules
sont souvent catégorisés selon leur consommation en milieu urbain, sur parcours
autoroutier ou sur parcours mixte. La notion de profil de conduite doit être abordée plus
amplement afin de mieux comprendre l’élément principal qui caractérise une mission.
1.7.1 Les profils de conduite
Il ne faut pas confondre un parcours à un profil de conduite. Le parcours est un trajet
emprunté par un véhicule. Il est habituellement caractérisé par une distance précise et un
itinéraire particulier. On pense par exemple au trajet que peut emprunter un autobus de
transport urbain pour se rendre d’une gare à l’autre. Bien que le parcours donne une
indication sur la distance effectuée par le véhicule, aucune information n’est donnée sur la
façon dont il est parcouru. Par exemple, on pourrait se rendre d’une gare à l’autre à vitesse
constante sans jamais s’arrêter en supposant que les feux de circulation sont toujours verts
et qu’il n’y a aucun arrêt à faire sur le parcours. On parcourrait la même distance et le
même itinéraire si, contrairement à l’exemple précédant, on devait arrêter aux feux et
s’arrêter régulièrement pour accueillir des gens à bord de l’autobus.
Le profil de conduite, ou cycle de conduite donne une bonne indication sur la façon dont un
trajet est parcouru et, d’une certaine manière, traduit les conditions réelles d’utilisation d’un
véhicule. Et c’est cette façon de parcourir une distance qui affecte le plus les performances
du véhicule en terme de consommation énergétique et d’émission de polluants. Un
automobiliste qui a l’habitude d’accélérer brusquement aux feux de circulation et dépasse
les limites de vitesse permises sur la voie routière verra son économie d’essence ou
d’énergie amoindrie par rapport à un conducteur qui respecte les limites de vitesse et qui est
plus doux sur l’accélérateur.
48
L’agence de protection de l’environnement américaine (EPA) propose certains profils de
conduites standard pour les milieux urbain et autoroutier afin que tous les constructeurs
puissent s’y référer lors des tests de consommation énergétique. Il existe des profils pour la
majorité des types de véhicules sur les routes (véhicule léger, véhicules lourds, taxi, etc.).
Parmi les profils les plus populaires pour les véhicules légers, on trouve le profil urbain
FUDS (ou FTP 75) et le profil autoroutier FHDS.
Les autobus de transport urbain sont des véhicules lourds qui empruntent la majorité du
temps des parcours en milieu urbain caractérisés par de faibles vitesses et de nombreux
arrêts et départs. De plus, ils ne sont habituellement pas permis sur la voie autoroutière. Il
existe des profils de conduite qui ont été spécifiquement développés pour évaluer la
consommation énergétique des autobus. La compagnie DielselNet propose une foule de
profils qui reflète la conduite des autobus dans des villes telles que New York, Los Angeles
ou Paris. Parmi la multitude disponible, on note les profils New York Bus Cycle,
Manhattan Bus Cycle et le Orange County Bus Cycle présentés à la figure 14. Le travail
présenté dans cet ouvrage se basera en partie sur ces cycles pour dimensionner le dispositif
de stockage énergétique (DSE).
Un profil de conduite, techniquement parlant, correspond à la variation de la vitesse du
véhicule dans le temps. À partir d’un tel profil, il est possible, en l’intégrant, d’obtenir la
distance parcourue sur le profil. Par extension mathématique, en dérivant le profil de
conduite par rapport au temps, on obtient le profil d’accélération qui lui est lié. Ces deux
informations, découlant du profil, sont très intéressantes lors de l’étude du
dimensionnement. Le profil d’accélération, par exemple, permet de cibler les points où
l’accélération est la plus intense, information qui se révèle être reliée aux pointes de
puissances les plus intenses sur le cycle. Les pointes de puissance importantes influencent
le dimensionnement du DSE de sorte qu’il puisse subvenir à la demande. Le profil
d’accélération fournit une autre information très intéressante pour l’étude du
dimensionnement : les points où le véhicule décélère. Ce sont lors des décélérations que le
véhicule peut profiter du concept de frein régénératif discuté précédemment (voir la section
1.5). Non seulement on peut observer les endroits où le freinage régénératif est possible,
mais également, on peut le quantifier. Il sera possible d’évaluer quelle quantité d’énergie
49
peut être récupérée d’un profil et éventuellement, cela pourra affecter le dimensionnement
du DSE à la baisse. Le profil d’accélération peut donc s’avérer utile pour identifier des
éléments qui affectent la consommation énergétique et conséquemment le
dimensionnement du DSE.
La distance parcourue sur un cycle de conduite propre aux autobus est également
essentielle pour dimensionner un DSE. À partir de l’énergie consommée d’un cycle et de la
distance parcourue sur le cycle, on peut identifier la consommation énergétique par unité de
distance (kWh/km) d’un véhicule et, conséquemment, cibler la taille du DSE pour une
FIGURE 14 : PROFILS DE CONDUITE PROPRES AUX AUTOBUS DE TRANSPORT URBAIN
50
autonomie donnée.
On verra plus loin qu’à partir de la modélisation mathématique de la dynamique d’un
autobus, le profil de conduite est indispensable pour identifier et cerner les paramètres qui
affectent le dimensionnement du DSE en simulation.
On sait que la façon de conduire est un des principaux éléments qui affecte la
consommation énergétique d’un véhicule sur une mission donnée. Cependant, il existe
d’autres facteurs qui peuvent également avoir un impact majeur sur celle-ci. Le climat,
particulièrement dans les zones géographiques tempérées, peut parfois causer de sérieux
problèmes à la conduite automobile. Les conditions de la route peuvent changer
radicalement d’une journée à l’autre pour passer d’une route dont la chaussée est sèche lors
d’une journée ensoleillée à une route dont la chaussée est complètement mouillée ou
enneigée lors d’une journée pluvieuse ou d’une tempête de neige.
1.7.2 Le climat
Partout à travers le monde, le climat affecte profondément notre rythme de vie. Le rythme
des saisons nous impose un code vestimentaire qui doit s’adapter à la température et aux
intempéries extérieures. Au Québec, notamment, on peut enregistrer des températures
estivales allant de 10 à 30 °C alors qu’en hiver, la température peut facilement descendre
sous la barre des -25 °C. La présence de ces deux extrêmes sur un territoire affecte
généralement la consommation énergétique d’un véhicule électrique.
En effet, dans bien des cas, les dispositifs de stockage énergétique sont sévèrement affectés
par les températures extrêmes. Certaines piles électrochimiques voient leur rendement de
conversion chimique/électrique se détériorer radicalement à de très basses températures.
D’autres sont sensibles aux températures très élevées (> 40 °C) et voient leur durée de vie
affectée à la baisse lorsqu’elles sont exposées trop longtemps à ces extrêmes.
Il devient important de choisir une technologie de pile adaptée au climat dans lequel
l’autobus est exposé. Dans certains cas, les piles sont installées en conjonction avec un
système de contrôle de la température qui agit de façon à ce que les piles ne dépassent
jamais leur plage de température normale d’opération.
51
En opération hivernale, l’habitacle de l’autobus doit être chauffé pour assurer le confort des
passagers. Ceci requiert un apport énergétique de l’autobus qui est fourni dans certains cas
par les batteries principales de l’autobus ou par un système d’appoint fonctionnant à base
d’hydrocarbure. Dans le cas où le chauffage de l’habitacle est assuré par les batteries,
l’énergie utilisée à cet effet doit être prise en compte lors du dimensionnement du dispositif
de stockage énergétique.
En fait, l’énergie consommée par le système de chauffage peut être si importante qu’il sera
préférable dans certains cas d’utiliser un système d’appoint. L’étude en question tentera
d’évaluer la quantité d’énergie requise pour le chauffage de l’habitacle et il sera possible
d’en mesurer l’impact sur le dimensionnement de la source.
Quoi qu’il en soit, le climat affecte généralement la mission d’un autobus de sorte qu’il faut
l’adapter afin d’en assurer le succès.
1.7.3 La déclivité
La déclivité fait référence à la pente de la route sur laquelle un autobus circule. Ce facteur
est important lors du calcul de l’énergie totale consommée sur une mission. En effet, il
semble relativement évident qu’un autobus doit fournir un effort supérieur lorsqu’il monte
une côte que lorsqu’il circule sur une route plate. Cet effort supplémentaire peut être assez
important pour influencer le choix du moteur nécessaire pour l’application. En effet,
certains parcours des autobus peuvent être parsemés de routes avec une bonne déclivité.
Plus l’effort est intense, plus le moteur doit fournir la puissance en conséquence. Pour une
même vitesse, l’énergie nécessaire pour monter une côte sur 10 km est donc plus
importante que celle nécessaire pour faire avancer l ‘autobus sur une route plate de 10 km.
Certains tests sont effectués sur des véhicules pour connaître leur capacité à monter une
côte de pente α. Il est possible, à partir de ces tests, de déterminer leur capacité à monter
une côte en fonction du degré d’inclinaison de la côte. Le présent travail propose une façon
de déterminer non seulement l’impact de la déclivité sur la quantité totale d’énergie
consommée sur une mission, mais permet également d’ajuster la puissance du moteur en
fonction du choix de la pente.
52
Cet aspect de cet ouvrage prend son importance du fait qu’un des autobus évalués par le
travail sert de modèle de base pour l’ajustement des paramètres de l’outil de
dimensionnement. Or, cet autobus a été développé pour pouvoir fonctionner sur un
parcours parsemé de routes de déclivité non nulle. À son maximum, la pente peut atteindre
13% ce qui est assez important pour influencer le dimensionnement du dispositif de
stockage et du moteur.
Quoi qu'il en soit, les nombreux facteurs qui influencent la consommation énergétique d’un
autobus doivent tous être considérés lors du dimensionnement du DES d’un autobus. Le
dimensionnement d’un DES se traduit par la connaissance de paramètres tels que la
puissance maximale (kW) qu’il peut produire et l’énergie qu’il peut fournir (kWh). Au
terme d’un certain nombre de missions, l’énergie disponible dans le DSE est épuisée et
l’autobus doit être ravitaillé. Pour pallier ce manque d’énergie électrique, il existe
différentes approches qui impliquent nécessairement des infrastructures de recharge et/ou
d’alimentation.
1.8 Infrastructures
Le ravitaillement en énergie des autobus est inévitable pour assurer leur maintien en
opération. Contrairement aux autobus à MCI, les autobus électriques munis de batteries ou
de supercapacités doivent être ravitaillés en électricité. Les réservoirs à essences, parfois
volumineux, des autobus à MCI peuvent être approvisionnés en quelques minutes
seulement alors que cela peut prendre des heures pour recharger complètement une batterie
de la taille d’un autobus électrique. Une stratégie de ravitaillement doit donc être mise en
place afin d’assurer l’opération normale d’une flotte d’autobus électriques.
Pour soutenir l’opération des autobus électriques, il existe, tout comme pour les autobus à
MCI, des points d’approvisionnement en électricité distribués sur leur territoire. Ils peuvent
ou non faire partie de l’itinéraire emprunté par les autobus. Le ravitaillement s’effectue de
différentes façons dont l’une d’elles consiste à recharger les batteries dans le véhicule.
L’autobus est alors branché à une borne de recharge qui alimente les batteries jusqu’à ce
qu’elles soient complètement chargées. La vitesse de la recharge dépend de la quantité
d’électricité qui doit être fournie aux batteries et du niveau de charge que la borne peut
53
fournir. Il en existe trois (3) niveaux (tableau 5). Les niveaux 1 et 2, établis par le standard
SAE J1772 [25], font référence aux capacités des connecteurs conventionnels que l’on
retrouve communément dans les foyers. Il s’agit des prises de courant de type 1 (120 VAC)
et de type 2 (208 VAC). La puissance disponible à ces prises varie de 1.4 kW (type 1) à 6.6
kW (type 2). Pour ces niveaux, dépendamment de la capacité du DSE, la recharge peut
s’étaler sur quelques heures à quelques dizaines d’heures. Le niveau de charge 3, quant à
lui, permet ce qu’on appelle la recharge rapide des batteries. Le temps de charge est alors
radicalement inférieur à celui observé avec les niveaux 1 et 2. Le tableau 5 présente les
temps de charge pour des dispositifs de stockage énergétique munis de capacité de 30 et 70
kWh. En considérant un DSE muni d’une capacité de 30 kWh, une pleine charge pourrait
s’effectuer en 21 heures pour un niveau 1 alors qu’elle pourrait être que de 9 minutes si une
borne de recharge rapide de niveau 3 (200 kW) est disponible. La disponibilité des bornes
de recharges sur le réseau de transport et le temps de charge de ces bornes doivent être
étudiés avant d’instaurer et d’assurer le succès d’un service de transport en commun basé
sur la traction électrique. Un service d’autobus de transport urbain actuellement à l’essai
dans la ville de Shanghai en Chine fait intervenir des stations de recharge à chaque arrêt
lors du parcours. Ces autobus sont munis exclusivement de supercapacités et la recharge du
DSE permet à l’autobus de parcourir la distance requise pour se rendre au prochain arrêt.
Outre la charge des batteries, une autre stratégie peut être employée par les gestionnaires de
flottes de véhicules électriques. Il s’agit d’une stratégie qui fait intervenir
l’interchangeabilité des batteries. Cette technique consiste à retirer les batteries épuisées
d’un autobus et de les remplacer par des batteries préalablement chargées. Cela implique
une modification de la structure du véhicule afin de permettre la facilité d’extraction et
d’accès aux batteries. L’Écolobus fonctionne selon ce principe. Il est à noter que cette
méthode implique qu’il y ait un DSE supplémentaire disponible et chargé lors de
l’échange de batterie. Il faut également être en mesure de charger suffisamment la batterie
extraite pendant les heures opérationnelles de l’autobus afin de lui assurer l’autonomie
minimale requise lors du prochain échange.
Enfin, une autre stratégie utilisée par les réseaux de transports, notamment celui de la ville
de Vancouver en Colombie-Britannique, consiste à alimenter constamment l’autobus
54
électrique par le biais d’une ligne électrique disposée sur le parcours de l’autobus. On
appelle communément ce genre de bus, des « trolley bus » (figure 15).
Quoi qu'il en soit, la stratégie d’alimentation ou de recharge des autobus doit
nécessairement être évaluée lors de l’instauration d’un service de transport urbain ainsi
qu’au processus de dimensionnement du DSE de l’autobus.
1.9 Conclusion
Au terme de ce chapitre, on a vu qu’un autobus électrique en apparence simple constitue en
fait un système très complexe faisant intervenir une foule de composants qui ont tous leur
fonction précise. Que ce soit au niveau de la propulsion ou de l’alimentation électrique,
chaque sous-système doit être choisi précisément en fonction d’une application bien
particulière, dans ce cas-ci une mission. Les constructeurs d’autobus s’efforcent d’orienter
le développement de leurs produits afin de satisfaire au mieux les besoins de leur clientèle.
Or, le développement d’un nouvel autobus peut être très couteux pour un constructeur. Au
début de ce processus, on utilise fréquemment des outils logiciels de dimensionnement qui
permettent d’orienter le design d’un produit sans nécessairement avoir à débourser des
sommes monétaires importantes à la conception de prototypes. Ces outils préliminaires,
Méthode de charge Tension d’alimentation
nominale (Volts)
Courant maximal
(Amps-continus)
Courant de
déclenchement du
disjoncteur (Amps)
Niveau 1 AC 120 VAC, 1-phase 12 A 15 A (minimum)
Niveau 2 AC 208 à 240 VAC, 1-phase 32 A 40 A
Niveau 3 DC 600 VDC maximum 400 A maximum Tel que requis
TABLEAU 4 : NIVEAUX DE CHARGE ÉTABLIS PAR LE STANDARD SAE J1772 [25]
Temps de charge
complète
Niveau 1
(120 VAC, 1.4 kW)
Niveau 2
(208 VAC, 6.6 kW)
Niveau 3
(600 VDC, 200 kW)
30 kWh 21 heures 4.5 heures 9 minutes
70 kWh (Ecolobus) 50 heures 10.5 heures 21 minutes
TABLEAU 5 : TEMPS DE CHARGE COMPLÈTE D'UNE BATTERIE DE 30 ET 70 KWH.
55
lorsque bien développés, facilitent et accélèrent le développement de produits de qualité et
permettent de procéder plus rapidement à l’étape de conception réelle d’un produit.
Le point central de ce mémoire consiste essentiellement à la conception d’un outil de
prédimensionnement du moteur et du dispositif de stockage énergétique (DSE) d’un
autobus de transport urbain. Pour arriver à développer un tel outil logiciel, il faut savoir
interpréter mathématiquement la mécanique entourant tout ce qui intervient lors du
fonctionnement d’un autobus. C’est ce qu’on appelle de la modélisation mathématique et le
chapitre suivant traite de tous les aspects de cette modélisation.
FIGURE 15 : EXEMPLE DE "TROLLEY BUS" À VANCOUVER
Chapitre 2. Modélisation des principaux composants de
l’autobus (inspiré du livre de Mehrdad
Ehsani [9])
On a vu qu’un autobus électrique de transport urbain est un véhicule servant au transport de
passagers dans une zone géographique restreinte. Il est principalement composé d’un
système de propulsion électrique, d’un système d’alimentation en électricité et d’un
système de transmission mécanique de la puissance aux roues. Ces sous-systèmes
fonctionnent de pair pour faire évoluer le véhicule sur une route. Chaque système agit à sa
façon pour faire en sorte que le véhicule puisse avancer, freiner, reculer et tourner. Chaque
composant principal de l’autobus sera interprété mathématiquement afin de dériver des
équations qui permettront de concevoir un outil de modélisation. Cet outil permettra de
cibler la puissance du moteur nécessaire pour qu’un autobus puisse parcourir un profil de
conduite particulier dans des conditions climatiques données.
D’abord, le bilan des forces agissant sur le véhicule sera interprété à partir des lois de la
physique. Ensuite, on s’intéressera aux facteurs qui influencent la performance d’un
véhicule. À partir de ces facteurs, il sera possible de cibler la puissance du moteur
nécessaire à l’accomplissement d’une mission ainsi que l’énergie nécessaire pour parcourir
le parcours de la mission d’une distance donnée. La modélisation thermique du chauffage
de l’habitacle sera abordée pour pouvoir évaluer l’impact énergétique potentiel sur le DSE
de l’autobus s’il devait produire l’énergie de chauffage. Enfin, la modélisation du dispositif
de stockage énergétique sera effectuée pour pouvoir cibler sa taille en termes de masse.
Mais d’abord, examinons le bilan des forces agissant sur un véhicule.
Un véhicule évoluant à vitesse v sur une route de pente α est soumis aux lois de la physique
dynamique. La force Ft appliquée sur les roues par le système de traction propulse le
véhicule vers l’avant. Le sol, l’air extérieur et la pente de la route provoquent des forces de
résistances qui tendent à ralentir le véhicule. Selon la seconde loi de Newton, l’accélération
a du véhicule dans le temps est donnée par :
57
( ) t tr
v
F Fdva t
dt M (1)
où tF est la somme des forces de traction du véhicule, trF , la somme des forces de
résistance au mouvement et Mv est la masse totale du véhicule. Ces forces en action sont
exposées à la figure 16. Le facteur de masse est un effet des composants en rotation du
système de traction. Il sera expliqué davantage ultérieurement.
2.1 Les forces de résistance
Les forces de résistance sont de trois formes différentes et dépendent des conditions de la
route et de la dynamique du véhicule. Ces forces en questions sont :
La force de résistance au roulement Fr
La force de résistance aérodynamique Fw
La force de résistance de déclivité Fg
Chacune de ces forces affecte à un certain degré les performances du véhicule et elles
doivent être prises en compte pour assurer la fiabilité du modèle du véhicule. Les forces de
résistance seront détaillées dans les prochaines sections.
2.1.1 La force de résistance au roulement (Fr)
La résistance de roulement apparaît au contact d’une roue avec le sol. Elle est donc présente
à l’avant comme à l’arrière du véhicule pour représenter les résistances des roues avant et
arrière (Trf et Trr).
La force de résistance au roulement est causée par la compression du pneu sur la surface de
la route qui provoque un couple contraire au sens de rotation de la roue. La compression du
pneu est telle que la force de réaction au poids du véhicule sur la route est décalée telle
qu’illustrée à la figure 17.
Frr
Frf
58
Le décalage d est le résultat de la force de réaction au poids du véhicule en mouvement. Il
se traduit par un couple inverse au couple de traction. Bien entendu, le poids du véhicule
est réparti sur le nombre de roues de celui-ci. Ainsi, pour chacune d’elles, le couple de
résistance au mouvement se traduit par :
rT P d (2)
Où P est le poids du véhicule ressenti par une roue. Le décalage peut varier d’une roue à
l’autre en fonction des caractéristiques du pneu (son état, sa pression). Ce couple, traduit au
centre de la roue, correspond en fait à la force de résistance au roulement Fr telle que :
r
r r
d d
T P dF F P f
r r (3)
Où rd est le rayon effectif de la roue et où fr représente le coefficient de résistance au
roulement.
FIGURE 16 : SCHÉMA DES FORCES EN ACTION SUR LE VÉHICULE EN MOUVEMENT
Frr
Frf
59
r
d
df
r (4)
On considère que chaque roue a les mêmes caractéristiques et, conséquemment, on suppose
que le décalage d est le même pour chaque roue. La force totale de résistance au roulement
pour un autobus muni de quatre (4) roues devient alors :
4 gr r v rF P f M f (5)
Si l’autobus évolue sur une route de pente α, alors la force totale de résistance au roulement
devient :
4 cos g cosr r v rF P f M f (6)
En général, le coefficient de résistance au roulement varie en fonction de plusieurs facteurs
dont entre autres, la vitesse du véhicule. Cependant, on supposera un coefficient constant
pour l’application considérée. On peut trouver dans le livre de Mehrdad Ehsani [9] la valeur
de ces coefficients pour différentes conditions routières. En général, dans le cas d’une
voiture évoluant sur l’asphalte, on trouve des valeurs de l’ordre de 0.013. Dans le cas d’un
autobus, on peut supposer que les pneus sont conçus pour limiter ce phénomène résistant et
FIGURE 17 : INFLUENCE DE LA FORCE DE LA COMPRESSION DU PNEU SUR LA DYNAMIQUE DU VÉHICULE
60
que leur pression est vérifiée régulièrement. Ainsi, on peut supposer un coefficient de
résistance au roulement de 0.01.
Selon l’équation (5), en imaginant un autobus de 80 passagers à vide de 12 tonnes
métriques, la force totale de résistance au roulement s’élèverait alors à environ 1200 N.
2.1.2 La force de résistance aérodynamique (Fw)
La force aérodynamique est le fruit de deux (2) phénomènes distincts :
lorsque le véhicule avance à une vitesse v, l’air à l’avant du véhicule est comprimé
créant une zone de haute pression. À l’arrière, suite au passage du véhicule, une
zone de vide temporaire se crée, se caractérisant par une zone de basse pression. Ce
jeu de haute et de basse pression provoque une force contraire au sens de la force de
traction du véhicule qui entraîne le ralentissement du véhicule;
l’air à la surface du véhicule circule à la même vitesse que la voiture alors qu’au
dessus, l’air est immobile. Le croisement de ces deux masses d’air provoque une
zone de friction qui se traduit par de la traînée qui constitue la deuxième
composante de la résistance aérodynamique Fw.
La force de résistance aérodynamique dépend de la densité de l’air ρ, de la vitesse du vent
vw, de la vitesse du véhicule v, du coefficient de résistance aérodynamique CD et de la
surface frontale Af du véhicule. Elle est donnée par l’équation :
21
2w f D wF A C v v (7)
La force de résistance aérodynamique est fortement dépendante de la vitesse du véhicule et
de la vitesse du vent. Le coefficient de résistance aérodynamique dépend grandement de la
forme du véhicule utilisé. Dans le cas d’un autobus de ville ou de transport, le coefficient
varie entre 0.3 et 0.7. Plus sa valeur est élevée, plus la force de résistance aérodynamique
sera élevée et affectera la dynamique du véhicule. Pour le modèle, on va supposer que le
coefficient est maximal soit de 0.7.
61
Pour un autobus de 80 passagers de surface frontale de 8 m2 évoluant à 50 km/h (13.9 m/s)
par une journée estivale (ρ(20 °C) = 1,2) non venteuse (vw = 0 m/s), la force de résistance
aérodynamique s’élèverait à environ 650 N.
2.1.3 La force de résistance de déclivité (Fg)
Lorsque le véhicule monte une côte de pente α, une composante de la force gravitationnelle
soumise sur le véhicule entraîne l’ajout d’une force de résistance supplémentaire. Cette
composante est illustrée sur la figure 16 et est exprimée par :
g gsinvF M (8)
2.2 La force de traction
Pour que le véhicule avance, le moteur doit produire une force qui, ramenée au référentiel
des roues, soit supérieure à la somme des forces de résistance, exprimées à la section 2.1,
agissant sur ces roues.
Le moteur doit fournir un couple à la roue de telle sorte qu’une force de traction soit
transmise à son rayon à la surface de contact. Cela implique que l’énergie nécessaire pour
faire avancer le véhicule doit être transmise à la roue par le biais de composants
mécaniques tels que la boîte de transmission et le différentiel (figure 18) qui introduisent
des pertes. Le rendement ηt du système de traction reflète les pertes mécaniques et
thermiques lors de la transmission de la force du moteur à la roue.
Le couple Tw transmis aux roues par le moteur est donné par :
w g t pT i T (9)
où ig est le ratio de conversion mécanique de la transmission et Tp, le couple au niveau du
moteur. Le ratio de conversion de la transmission est donné par
p
g
w
Ni
N (10)
62
avec Np, la vitesse de rotation à l’entrée de la transmission et Nw, la vitesse de rotation à la
sortie (au niveau des roues). La force au point de contact de la roue avec la route est
exprimée en fonction du couple transmis aux roues telle que :
g t pw
t
d d
i TTF
r r (11)
À partir du bilan des forces découlant de la seconde loi de Newton (1), la force de traction
Ft appliquée sur les roues s’écrit également :
t v r w g
dvF M F F F
dt (12)
De l’expression des forces de résistance (5), (6), (7) et (8), la force à produire pour qu’un
véhicule évolue en mouvement ascendant dans une côte devient :
21
g cos sin2
t v v r D f w
dvF M M f C A v v
dt (13)
FIGURE 18 : SCHÉMA DU SYSTÈME DE TRACTION (TIRÉ ET TRADUIT DE [9])
63
À partir des expressions (11) et (13), on déduit le couple moteur à produire pour que le
véhicule soit en mouvement.
21g cos sin
2d v r D f w
p
g t
dr M f C A v v
dtT
i
(14)
La puissance mécanique produite au niveau moteur dépend de la vitesse de rotation du
moteur Np :
30
p
p p
NP T (15)
La vitesse de révolution Nw de la roue reflète la vitesse v du véhicule (figure 19) telle que :
30
w
d
vN
r (16)
À partir des expressions (10), (15) et (16), on peut exprimer la puissance au niveau moteur
en fonction de la vitesse du véhicule,
p p g
d
vP T i
r (17)
FIGURE 19 : SCHÉMA DES VITESSES EN JEU SUR LA ROUE
64
En remplaçant Tp de l’équation (14) dans l’expression (17), on obtient :
21g cos sin
2v r D f w
p
t
dvv M f C A v v
dtP
(18)
2.3 Évaluation des performances de l’autobus
La mission d’un autobus est caractérisée par plusieurs facteurs qui déterminent les requis en
termes de performance. Le profil de conduite sur lequel il devra évoluer permet, par
exemple, de déterminer les plages de vitesse dont il devra être en mesure d’atteindre. Par
extension, à partir du profil de conduite, on peut également évaluer le temps d’accélération
requis par l’autobus afin que celui-ci suive le profil de vitesses.
Un véhicule doit donc être évalué sur certains critères de performance afin de savoir s’il
peut effectuer une mission sur un profil de conduite donné. Parmi ces critères, les plus
importants sont :
le temps d’accélération;
la vitesse maximale du véhicule;
la tenue de route en côte;
l’autonomie.
Le dimensionnement du moteur et du dispositif de stockage énergétique du véhicule
dépend directement de ces critères de performance. Ils seront donc les points phares du
dimensionnement du véhicule. L’évaluation des performances d’un véhicule a déjà fait
l’étude d’un travail réalisé par Nicolas Dehlinger du laboratoire d’électrotechnique,
d’électronique de puissance et de commande industrielle (LEEPCI). Cette section s’inspire
en grande partie de ce travail [16].
2.3.1 Temps d’accélération
Le temps d’accélération détermine en grande partie la puissance maximale que doit
développer le moteur. Le temps d’accélération peut être déduit à partir de l’expression de la
65
force de traction appliquée par le moteur sur la roue du véhicule à la surface de contact. En
remaniant l’expression (13), on obtient :
21g cos sin
2
v
t v r D f w
M dvdt
F M f C A v v
(19)
En intégrant dans le temps, on obtient l’expression analytique du temps d’accélération ta
pour que le véhicule accélère de la vitesse nulle jusqu’à la vitesse désirée vd. Ainsi :
20
1g cos sin
2
dv
va
t v r D f w
M dvt
F M f C A v v
(20)
20
2
1g cos sin
2
1g cos sin
2
b
d
b
v
va
t p
v r D f w
b
v
v
t pvv r D f w
M dvt
PM f C A v v
v
M dv
PM f C A v v
v
(21)
où vb est la vitesse de base du moteur (vitesse nominale) lorsqu’on atteint la puissance
nominale du moteur.
L’expression (21) est composée de deux termes dont le premier représente la région de la
caractéristique couple-vitesse à couple constant et l’autre, la région à puissance
constante. Il peut s’avérer difficile de trouver une solution analytique à cette expression.
Pour contourner ce problème, on utilise une méthode d’intégration numérique simple qui
discrétise la variation de la vitesse dans le temps. Ainsi, en remaniant l’expression (19), on
peut exprimer la variation de vitesse sur un intervalle de temps Δt donné telle que :
21g cos sin
2t v r D f w
v
F M f C A v vv t
M (22)
Et
66
1v v n v n (23)
211 g cos sin
2t v r D f w
v
tv n F M f C A v n v v n
M
(24)
Où n représente le nombre de discrétisations de la vitesse. Pour des vitesses inférieures à la
vitesse de base du moteur, le système de traction peut produire une force maximale.
L’expression (24) devient :
21
1 g cos sin2
t p
v r D f w
v b
Ptv n M f C A v n v v n
M v
(25)
Pour des vitesses supérieures à la vitesse de base, le moteur fonctionne à puissance
constante, soit la puissance maximale du moteur. L’expression (24) devient :
21
1 g cos sin2
t p
v r D f w
v
Ptv n M f C A v n v v n
M v n
(26)
On peut évaluer les performances en termes d’accélération d’un véhicule en observant la
vitesse atteinte après le temps d’accélération donné. Cette approximation sera utilisée dans
le modèle de l’outil de dimensionnement de l’autobus électrique.
2.3.2 La vitesse maximale du véhicule
La vitesse maximale du véhicule est définie comme la vitesse constante de croisière que le
véhicule peut atteindre alors que le moteur fonctionne à puissance maximale sur une route
plate. Elle correspond habituellement au point de rencontre de la courbe du couple de
résistance avec la courbe du couple moteur sur la caractéristique couple-vitesse du moteur.
Le couple de résistance est le résultat de la somme de toutes les composantes de la force qui
tend à freiner le véhicule sur une route plate (force de résistance aérodynamique et de
roulement). Il est dérivé de l’expression (14). La figure 20 présente les caractéristiques
couple/vitesse et puissance/vitesse d’un autobus de transport urbain de type microbus
(Écolobus).
67
Les caractéristiques ont été trouvées à partir de simulations basées sur les paramètres
dimensionnels du modèle Gulliver modifié (Écolobus) du constructeur italien Technobus
(voir tableau 22). Le point de rencontre des courbes de couple indique le point où la vitesse
du véhicule atteint son maximum. En réalité, la vitesse maximale atteinte par l’Écolobus est
d’environ 35 km/h. Or, cette simulation indique que le véhicule pourrait atteindre une
vitesse de 67 km/h. Il existe de nombreuses raisons qui peuvent expliquer cette différence,
mais la raison la plus fréquente provient du fait que le groupe motopropulseur (le moteur
électrique et son contrôleur) de l’autobus a une limite de vitesse d’opération maximale qui
est inférieure au croisement des courbes de couple de la figure 20. Dans ce cas-là, la vitesse
maximale atteinte du véhicule est déduite des expressions (10) et (16) :
max
max
g
(m/s),30
p dN rv
i (27)
FIGURE 20 : CARACTÉRISTIQUES COUPLE/VITESSE ET PUISSANCE/VITESSE AVEC LA COURBE DU COUPLE DE
RÉSISTANCE AU MOUVEMENT
68
où Npmax est la vitesse de rotation maximale du groupe motopropulseur (en RPM). Dans le
cas de celui de l’Écolobus, sa vitesse maximale est de 3000 RPM ce qui donne une valeur
de vitesse de croisière maximale de 9 m/s (32.5 km/h).
2.3.3 La tenue de route en côte
La tenue de route en côte fait référence à la capacité du véhicule de soutenir une vitesse
constante dans une côte de pente α. La force de traction est donc supérieure aux forces de
résistance du véhicule. À mesure que l’inclinaison de la côte augmente, la force de
résistance de déclivité augmente et freine davantage le véhicule influençant sa vitesse
maximale atteignable. Ce phénomène est illustré à la figure 21 où plusieurs courbes de
couple résistant sont représentées sur la caractéristique couple/vitesse du moteur.
Ces courbes ont été simulées à partir du modèle dont les paramètres du véhicule sont
connus (voir tableau 22). Elles représentent chacune la force de résistance pour une pente
donnée. Outre le cas de pente nulle observée dans la section précédente, on note également
des courbes pour des pentes de 1 à 4°. Dans ce cas-ci, la vitesse maximale atteignable en
côte diminue jusqu’à 22 km/h dans le cas d’une pente de 4°. Dans certains cas comme le
réseau de transport de la ville de Québec, les autobus doivent circuler sur des rues
relativement escarpées dont les pentes peuvent facilement atteindre 8 à 10°.
Pour arriver à affronter ces pentes, l’Écolobus utilise une stratégie de commande pour son
groupe motopropulseur qui lui permet de cibler un couple moteur plus élevé que sa valeur
nominale de 138 Nm. Les constructeurs de moteurs électriques permettent effectivement ce
type de manœuvre et fournissent habituellement les données techniques nécessaires pour
assurer le bon fonctionnement du moteur sans l’endommager. Le constructeur de moteur
électrique TM4 (filiale d’Hydro-Québec), par exemple, produit un moteur à aimant
permanent, le MΦ120, dont le couple et la puissance nominale sont de 60 Nm et 37 kW en
mode continu. Cependant, ce même moteur peut produire un couple de 170 Nm et fournir
120 kW de puissance pour une courte période de temps (figure 22).
Un véhicule peut également devoir accélérer après un arrêt dans une pente. La composante
de la force de traction due à cette accélération influence à la hausse le couple moteur à
69
produire pour affronter la pente et avancer. Le couple moteur nécessaire, dans ces cas
spécifiques, peut largement dépasser sa valeur nominale.
Dans le cas de l’Écolobus, on ne connait pas les détails techniques concernant son moteur,
mais on sait, d’après son parcours dans le Vieux-Québec, qu’il est en mesure d’affronter et
d’accélérer sur des routes de pente de plus de 8°.
Le dimensionnement de la puissance du moteur doit tenir compte de ces considérations
d’ordre technique pour assurer le bon fonctionnement d’un véhicule en fonction de
l’application pour laquelle il a été conçu. La tenue de route en côte, dans ce cas-ci, est
considérée comme un facteur important dans le dimensionnement du moteur.
FIGURE 21 : CARACTÉRISTIQUE COUPLE/VITESSE DU MOTEUR, AINSI QUE LES COURBES DE COUPLE RÉSISTANT POUR
DIFFÉRENTES VALEURS DE PENTE (1° À 4°)
70
2.3.4 L’autonomie du véhicule
L’autonomie du véhicule fait référence à la distance maximale que le véhicule peut
parcourir lorsque son dispositif de stockage énergétique (DSE) est chargé à pleine capacité.
Elle est directement dépendante de la capacité du DSE. Ce critère de performance est
difficile à évaluer précisément, car il dépend de certains facteurs qui fluctuent d’une
mission à l’autre. Le comportement du conducteur, le profil de conduite emprunté et la
dénivellation du parcours sont tous des facteurs qui influencent l’autonomie du véhicule. Il
demeure l’un des critères de performance les plus importants pour le dimensionnement du
DSE.
L’autonomie d’un véhicule dépend de la façon dont le moteur travaille. S’il doit travailler
fort (puissance élevée) tout au long d’un parcours, le véhicule exigera beaucoup d’énergie
du dispositif de stockage énergétique. Puisque celui-ci possède une quantité d’énergie
FIGURE 22 : CARACTÉRISTIQUES COUPLE/VITESSE DU MOTEUR MΦ120 DE TM4 POUR DIFFÉRENTS MODES DE
FONCTIONNEMENT (EN ANGLAIS SEULEMENT)
71
limitée, le travail du moteur affectera l’autonomie du véhicule. En termes électriques,
l’autonomie est souvent liée à la mesure de l’énergie disponible de la source électrique en
kWh. Cette mesure dépend de la masse de la source et de ses propriétés électriques (énergie
spécifique kWh/kg).
Pour mesurer l’autonomie, on doit être en mesure d’évaluer l’énergie consommée sur un
profil de conduite. Si on connaît la puissance requise par le moteur pour chaque point du
cycle, il est possible de déterminer l’énergie nécessaire sur le parcours et conséquemment,
l’autonomie requise pour accomplir la mission.
Les profils de conduite parcourus par les autobus de transport urbain sont souvent répétitifs,
ce qui permet de cibler assez précisément l’autonomie requise pour un véhicule avant de le
ravitailler. Ces cycles sont la plupart du temps caractérisés par des arrêts et départs
fréquents ainsi que par des vitesses sous les 70 km/h (Section 1.7.1). Les arrêts et départs
fréquents sont souvent représentés par des pointes d’accélération importantes qui
influencent l’autonomie du véhicule. Cependant, les arrêts fréquents auront l’avantage, si la
source permet le freinage régénératif (section 1.5), de produire assez d’énergie récupérée
pour significativement atténuer la charge électrique d’une mission sur le DSE. L’autonomie
du véhicule sera améliorée si le véhicule tire profit de cette technologie.
La puissance instantanée à produire par la source d’énergie est déduite à partir de
l’expression de la puissance instantanée à produire par le moteur. On considère que la
source est composée d’un dispositif de conversion énergétique de rendement ηs. La
puissance instantanée de la batterie, Ps, transmise au moteur est exprimée par :
p
s
s
PP (28)
Et Pp est donné de l’expression (18). La puissance à fournir par la source devient :
21g cos sin
2v v r D f w
s
s t
dv tv t M M f C A v t v
dtP
(29)
72
En intégrant dans le temps la puissance à produire par la source sur le cycle, on détermine
l’énergie nécessaire pour parcourir le profil de conduite.
profil sE P dt (30)
La puissance au niveau moteur est négative lorsque le véhicule ralentit. Une partie de
l’énergie de freinage peut être récupérée par la source afin d’améliorer l’autonomie du
véhicule. L’énergie de freinage nécessaire pour assurer le contrôle adéquat du véhicule
dépend essentiellement de l’énergie cinétique emmagasinée dans le véhicule en mouvement
au moment du freinage. L’énergie cinétique dépend de la masse du véhicule et de la vitesse
à laquelle il roule. Prenons l’exemple d’un Écolobus pesant 5000 kg freinant de 33 à 0
km/h sur quelques mètres pour calculer l’énergie potentiellement récupérable. Lors d’un
freinage, son énergie cinétique convertie en énergie de freinage pourrait fournir 0.056 kWh
d’électricité à la source (0.5 × Mv × v2 ). Maintenant, imaginons un autobus de transport
urbain vide de 12 000 kg freinant de 50 à 0 km/h. L’énergie potentiellement récupérable
atteint 0.32 kWh pour un seul freinage. On a calculé qu’un profil de conduite typique des
autobus de transport urbain nécessite une énergie totale de traction (au point de contact des
roues sur la route) de 15.5 kWh desquels près de 11 kWh pourraient être récupérés si un
système de freinage régénératif le permettait (voir tableau 3). C’est 70% de l’énergie totale
de traction consommée sur le profil de conduite.
Le système de récupération d’énergie peut être difficile à modéliser analytiquement pour
plusieurs raisons. D’abord, l’hybridation du système de freinage d’un véhicule rend la tâche
de la modélisation analytique complexe. En effet, pour assurer qu’un freinage d’urgence
sécuritaire permette de ralentir l’autobus assez rapidement, l’utilisation d’un système de
freinage à disques est indispensable. En effet, le couple moteur généré lors de la
régénération ne serait pas suffisant pour arrêter le véhicule sur une distance et un temps
sécuritaires dans la majorité des arrêts critiques. La proportion de l’utilisation des freins à
disques sur le frein régénératif dépend essentiellement de l’allure du profil de conduite.
D’autre part, les dispositifs de stockage énergétique (DSE) dans les applications de traction
électrique sont typiquement composés de batteries électrochimiques qui souffrent d’une
limite d’utilisation en raison de leur cycle de vie limité. En effet, pour permettre à des
73
véhicules électriques (EVs, HEVs et PHEVs) de fonctionner sur de nombreuses années, les
constructeurs ont l’habitude de surdimensionner la quantité de batteries afin que le système
de gestion de l’énergie du véhicule n’utilise qu’une portion limitée de la batterie (figure
23). La plage de régénération des batteries par le freinage se voit alors significativement
limitée.
On sait également que l’énergie récupérable est dépendante de la capacité du moteur à
fonctionner en mode générateur. Néanmoins, en supposant que le moteur en mode
générateur est conçu pour pouvoir tout récupérer, selon Fuhs, A. [26], un modèle de calcul
du potentiel de récupération montre qu’un arrêt critique fait intervenir le freinage
conventionnel (freins à disques) dans une proportion de 90% alors que 10% de cette
énergie de freinage peut être récupérée. Un autre test simulant un arrêt en douceur à un feu
de signalisation montre que 60% de l’énergie peut être récupérée alors que le reste (40%)
est perdu sous forme de friction dans le freinage traditionnel. En supposant qu’un autobus
tout électrique n’effectue que rarement des arrêts brusques, on considère, dans ce travail,
que 50% de l’énergie de freinage peut être récupérée.
En raison de la complexité de modélisation du freinage régénératif, on lui considère un
ratio de récupération d’énergie (αreg) constant pour simplifier le modèle. Il est à noter que
lorsque l’énergie est récupérée, celle-ci est soumise au rendement mécanique du moteur (ηt)
ainsi qu’au rendement de conversion du DSE (ηs). Par souci de simplicité, le ratio de
récupération d’énergie (αreg) prend ces rendements en considération. L’énergie consommée
sur le profil de conduite peut donc se réécrire comme :
, ,profil s cons s recE P dt P dt (31)
Où
s cons sP P t, 0 (32)
, 0s rec reg sP P t (33)
Avec αreg qui représente le ratio de récupération de l’énergie de freinage de la source,
Ps,cons, la puissance fournie par la source au moteur et Ps,rec, la puissance retournée à la
source par le système de freinage régénératif.
74
L’autonomie dépend de la distance parcourue sur un profil de conduite et de l’énergie
consommée sur ce profil. En supposant qu’un dispositif de stockage énergétique de masse
Ms ne dispose que d’une seule source électrique d’énergie spécifique esp,s, l’autonomie dAut
du véhicule est donnée par :
,sp s s profil
Aut
profil
e M Dd
E (34)
Où Dprofil est la distance totale parcourue par l’autobus sur le profil de conduite.
2.4 Modélisation thermique
La climatisation d’un véhicule par temps froid nécessite un apport d’énergie substantiel.
Pour assurer le confort des passagers dans l’habitacle, tous les véhicules sont munis d’un
système de climatisation adapté à leur climat. Dans certains pays où les températures
hivernales peuvent descendre à 20°C sous zéro, l’apport en énergie de chauffage est très
important. La plupart des moteurs conventionnels à combustion interne des véhicules sous-
FIGURE 23 : UTILISATION TYPIQUE D'UNE BATTERIE ÉLECTROCHIMIQUE D’UN HEV.
75
compacts peuvent produire suffisamment d’énergie thermique (pertes) pour climatiser
l’habitacle même lors des grands froids. Cependant, pour des applications telles que les
autobus de transport urbain, ces moteurs conventionnels ne produisent pas suffisamment
d’énergie pour assurer le chauffage de l’habitacle entier (par temps froid). Conséquemment,
un système d’appoint doit être installé pour combler ce manque. Pour simplifier la tâche
des fabricants, une réglementation du California Air Resources Board (CARB) permet aux
constructeurs de considérer un véhicule comme un ZEV (Zero Emission Vehicle) même
s’il utilise des systèmes de chauffage utilisant des carburants fossiles pour climatiser
l’habitacle, et ce, pour des températures extérieures sous les 5°C selon Aceves-Saborio, S.
et al. [27]. Suivant cette norme, la majorité des fabricants de véhicules conventionnels pour
climats nordiques installent de tels systèmes pour assurer le confort des passagers.
Selon une norme de l’American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning
Engineers (ASHRAE 55-1992) la température intérieure du véhicule devrait être maintenue
entre 20 et 25°C pour assurer le confort des passagers. Or, dans les régions hivernales, les
gens qui empruntent les moyens de transport urbains ont la plupart du temps un code
vestimentaire approprié pour supporter de très basses températures. Pour cette raison et
pour limiter l’impact de la charge de chauffage, la plupart des constructeurs de véhicules de
transport urbain maintiennent en hiver une température de 15 °C. Nous considérerons cette
température intérieure comme la référence pour l’étude.
L’utilisation de moteurs électriques à haut rendement énergétique pour la propulsion met
davantage en évidence la problématique de la climatisation de l’habitacle en hiver.
L’installation d’un système de chauffage d’appoint est essentielle pour assurer le confort
des passagers. La plupart des fabricants d’autobus électriques pour le transport urbain
utilisent des systèmes à carburants fossiles pour la climatisation. Bien que l’impact
environnemental global d’un véhicule équipé d’un tel système d’appoint soit faible, il n’en
demeure pas moins une source d’émissions locale de polluants dans l’atmosphère.
Dans l’optique de concevoir un véhicule ne produisant aucune émission locale, on peut
supposer que le véhicule fournit l’énergie nécessaire au chauffage de l’habitacle à partir du
dispositif de stockage énergétique (DSE). Cette étude tient à exposer l’impact de la
76
climatisation de l’habitacle sur l’autonomie du véhicule qui dépend essentiellement de
l’énergie emmagasinée dans le DSE.
En hiver, pour maintenir une température confortable à l’intérieur du véhicule, le système
de climatisation doit fournir une puissance supérieure ou égale aux pertes thermiques du
véhicule soumis à une température extérieure Text. Les différentes composantes qui
contribuent au bilan des pertes thermiques du véhicule sont :
Les pertes par conduction
Les pertes par convection (ventilation)
Les pertes par infiltration d’air
Les pertes métaboliques des passagers (agissant comme une source)
La plupart du temps, les deux (2) premières composantes sont directement proportionnelles
à l’écart de température entre l’air ambiant (extérieur) et l’air à l’intérieur de l’habitacle.
Les pertes par infiltration d’air dépendent de la vitesse du véhicule et de la température de
l’air ambiant. Quant aux pertes métaboliques, il s’agit en fait de la puissance thermique
produite par les passagers transmise à l’air de l’habitacle. En ce sens, cette composante agit
comme une source d’énergie thermique dans le bilan énergétique. On note QT, la puissance
thermique à fournir par le système de climatisation pour maintenir la température constante
à l’intérieur de l’habitacle. Elle est donnée par :
T c v i pQ Q Q Q Q (35)
Où Qc sont les pertes par conduction, Qv, les pertes par ventilation, Qi, les pertes par
infiltration et Qp, les pertes métaboliques. Les composantes du bilan des pertes seront
précisées dans les sections suivantes.
2.4.1 Les pertes par conduction
Les pertes par conduction se traduisent par le transfert de l’énergie thermique de l’intérieur
du véhicule vers l’extérieur. Le transfert s’effectue à travers les différentes parties du
véhicule (les fenêtres, le plancher, le plafond, les portes et les murs). Chacune possède des
propriétés de transfert énergétique propre qui influence le comportement thermique du
véhicule.
77
Le flux thermique de conduction de la chaleur vers l’extérieur est illustré à la figure 24. On
définie les pertes par conduction à partir de la loi de Fourier donnée par :
c
dTQ kS
dx (36)
Où k est la conductivité thermique du matériau, S, la surface conductrice, dx, l’épaisseur du
matériau conducteur et dT, la différence de température entre l’intérieur et l’extérieur de
l’autobus.
On suppose que les pertes par conduction sont plus importantes au niveau des vitres.
Autrement, les murs, le plafond et le plancher sont munis de matériaux isolants qui limitent
le transfert thermique par conduction.
La conductivité thermique est mesurée en W/m K. Elle varie d’un matériau à l’autre. Plus
elle est élevée, plus le transfert sera important. Dans le contexte des pertes thermiques, il
faut que cette valeur soit la plus faible possible. La conductivité thermique de l’aluminium,
matériau utilisé dans la fabrication de la carrosserie, est très élevée variant entre 200 et 250
W/m K. Celle de l’air par contre, un très bon isolant, est de 0.025 W/m K. Plus l’épaisseur
de l’isolant est élevée, plus l’isolation sera efficace. C’est pour cette raison que l’on
considère les pertes par les murs, plafonds et plancher comme négligeables dans le calcul
des pertes thermiques. Les conductivités thermiques du verre et du plexiglas sont
relativement faibles à 1.1 et 0.25 W/m K respectivement. Cependant, l’épaisseur des vitres
étant petite, les pertes par conduction peuvent devenir substantielles.
Le calcul du transfert de chaleur par conduction fait intervenir la surface conductrice du
véhicule. On mesure approximativement la surface en considérant l’autobus comme un
prisme rectangulaire (figure 25). Ainsi, on établit la surface extérieure comme étant :
2 2 gS Lh L h (37)
Où L est la longueur, h, la hauteur à partir du plancher et Lg, la largeur de l’autobus. On
exclut le plafond étant donné qu’il n’y a pas de vitres.
On considère que le ratio de vitres sur la surface conductrice correspond à environ 40% de
la surface totale.
78
L’exemple de calcul présenté ici est similaire à ce qui a été implémenté dans l’outil de
prédimensionnement. Supposons une surface conductrice de 75 m2, une conductivité
thermique de 0.25 W/m K, une épaisseur de vitre de 7 mm et une température extérieure de
-20 °C, quelle serait les pertes par conduction dans les vitres? On suppose une température
intérieure de 15 °C.
Le calcul donnerait :
int 350.25 0.4 75 37.5
0.007
ext
c
T TQ kS kW
dx (38)
On a vu que la capacité du système de chauffage en continu du NovaBus LFS (en excluant
le chauffage du côté conducteur), est de 150 000 BTU/h (44 kW). La valeur, bien que plus
faible semble démontrer que les pertes thermiques par conduction sont importantes dans un
autobus.
FIGURE 24 : MÉCANISMES DE TRANSFERT DE CHALEUR DE L'INTÉRIEUR DU VÉHICULE VERS L'EXTÉRIEUR.
79
2.4.2 Les pertes par convection
Le transfert de chaleur par convection est produit par le mouvement des particules dans un
milieu où il existe des différences de température. L’exemple le plus commun de la
convection est observé lorsqu’on fait cuire des pâtes alimentaires dans une casserole.
Durant la cuisson, l'eau se met en mouvement spontanément : les groupes de particules de
fluide proches du fond de la casserole sont chauffés, se dilatent donc deviennent moins
denses et montent; ceux de la surface de la casserole sont refroidis par le contact de la
surface avec un milieu moins chaud, se contractent donc gagnent en densité et plongent. Ce
mouvement de particules permet le transfert de chaleur.
À l’intérieur de l’autobus, on considère que la convection est à toute fin pratique absente.
On suppose que l’air ambiant est relativement stagnant et qu’il n’y a pas de transfert de
chaleur. Cependant, l’air ambiant à l’extérieur de l’autobus est exposé à une convection
forcée par le fait que l’autobus avance à une vitesse non nulle ce qui provoque un
mouvement continuel de l’air tout autour de l’autobus. Pour simplifier la modélisation, on
traduit ce phénomène par ce qu’on appelle le refroidissement éolien ou plus communément,
le facteur vent. Le facteur vent est utilisé pour représenter la température « ressentie » en
FIGURE 25 : SCHÉMA ILLUSTRANT LES DIMENSIONS DE L’AUTOBUS COMME UN PRISME RECTANGULAIRE.
80
hiver lors des périodes de grands vents. On suppose que l’autobus est immobile, mais que
la vitesse de l’autobus est en fait la vitesse du vent.
Auparavant, on exprimait le refroidissement éolien en W/m2, une unité difficile à
comprendre par le peuple, mais aujourd’hui on l’exprime en °C pour représenter la
température « ressentie » sur le corps. Le refroidissement éolien est exprimé par l’équation
suivante :
0,1613,12 0,6215 0,3965 11,37ext extR T T V (39)
Où Text est la température ambiante à l’extérieur du véhicule en °C et V, la vitesse de
l’autobus en km/h.
R devient donc la température extérieure qui varie en fonction de la vitesse de l’autobus. On
utilise cette modélisation pour l’influence du transfert de chaleur par convection.
2.4.3 Les pertes par infiltration
Étant donné qu’on ne dispose d’aucune information sur les sources d’infiltration potentielle
dans l’autobus, on ignore cette composante. Étant donné la modélisation approximative des
pertes thermiques, on s’intéresse davantage à l’ordre de grandeur qu’elles peuvent
représenter.
2.4.4 Les pertes métaboliques des passagers
Chaque passager dans l’autobus est réputé pour produire environ 75W de chaleur selon
Aceves-Saborio, S. et al. [27]. On considère cette production comme une source de chaleur
et viendra amoindrir la charge thermique de l’autobus durant les périodes hivernales.
La source de chaleur est donc modélisée par :
75p psgQ N (40)
2.4.5 Bilan thermique
En regroupant chaque composante des pertes thermiques, on se retrouve avec le bilan
suivant :
81
int ,75
ext
T c v i p psg
T R T VQ Q Q Q Q kS N
dx (41)
C’est ce modèle qui sera utilisé dans l’outil pour modéliser les pertes thermiques.
2.5 Modélisation du dispositif de stockage énergétique du
véhicule
Le dispositif de stockage énergétique (DSE) de l’autobus examiné dans ce travail est une
combinaison des dispositifs examinés à la section 0. Il s’agit d’une combinaison d’une
batterie électrochimique et de supercapacités (SC). Le choix d’une source hybride d’énergie
électrique est motivé par la nature du profil de conduite qu’un autobus de transport urbain
est à même de parcourir.
Le profil communément employé par ce type de véhicule est caractérisé par de fréquents
arrêts et départs brusques et par des vitesses relativement faibles (voir figure 14). Les
départs fréquents à partir d’une vitesse nulle se traduisent par des crêtes de courants élevées
et conséquemment par des pointes de puissances assez importantes. On observe en
particulier les pointes de puissances les plus importantes à la fin de l’accélération lorsque le
véhicule atteint sa vitesse de régime.
L’hybridation de la source dans un tel contexte possède plusieurs avantages :
Les DSE les plus utilisés dans l’industrie, comme les batteries à base de plomb, sont
sensibles aux pointes de courant en raison de la surchauffe des cellules qui
détériorent le cycle de vie de la batterie. L’utilisation des SC pour supporter les
batteries lors de ces pointes permet au DSE de limiter la dynamique de l’état de
charge de la batterie. Selon Dooley et Kopstal [28], l’hybridation de la source
permet d’améliorer le cycle de vie de la batterie du dispositif;
En réduisant les décharges intenses soumises à la batterie par l’intervention des SC,
il est possible de faire fonctionner les batteries sur une plage de l’état de charge plus
large sans altérer le cycle de vie de la batterie ce qui permettrait entre autres choses
de diminuer la taille du dispositif sans compromettre l’autonomie comme le stipule
Major, J. [29];
82
Il est possible de cibler plus précisément l’autonomie du véhicule désirée en
dissociant la partie puissance de la partie énergie du DSE. En effet, dans certains
cas, la puissance ou l’énergie requise lors d’une mission influence largement le
dimensionnement du DSE. En ayant une source qui s’acquitte de produire les
pointes de puissance lorsque nécessaire et une autre pour fournir l’énergie sur le
profil de conduite, il est possible, dans certains cas, de cibler plus précisément
l’autonomie désirée.
Le choix de la batterie et des performances des SC dépendent de la puissance maximale à
produire et de l’énergie consommée par le véhicule lors d’une mission. Cette charge en
termes de puissance et d’énergie dépend du type de véhicule employé, de la masse totale
qu’il peut supporter et du profil de conduite sur lequel il évolue. Ces paramètres
influenceront le choix du dispositif le plus apte à répondre aux besoins.
2.5.1 Modèle de la batterie
Le modèle de la batterie dans le contexte de l’étude demeure relativement simple. Il s’agit
d’un module de masse Mb dont les caractéristiques électriques sont considérées constantes
sur toute la plage de l’état de charge de cette batterie. En réalité, les batteries voient leurs
performances électriques variées en fonction de l’état de charge de la batterie. Il est difficile
de modéliser analytiquement ce comportement puisqu’il dépend de plusieurs facteurs, dont
la puissance de décharge de la batterie. Pour cette raison et pour d’autres qu’on ne
mentionnera pas par soucis de simplicité, il est préférable d’utiliser des caractéristiques
électriques constantes. La puissance spécifique (W/kg) et l’énergie spécifique (Wh/kg)
caractérisent la batterie et déterminent la puissance maximale qu’elle peut produire ainsi
que sa capacité qui se traduit globalement par l’autonomie du véhicule. La puissance
maximale Pb|MAX (W) que peut produire la batterie pour un usage normal est donné par :
,b b sp bMAXP M p (42)
Et sa capacité Eb (Wh) est donnée par :
,b b sp bE M e (43)
83
où psp,b et esp,b sont respectivement la puissance spécifique et l’énergie spécifique de la
batterie. Le tableau 6 montre les caractéristiques techniques de certaines technologies de
batteries. Le DSE est relié au système de traction par le biais d’un convertisseur d’énergie
électrique servant à transformer l’énergie à courant continu en énergie à courant alternatif
nécessaire pour alimenter la plupart des moteurs électriques. En général, ces convertisseurs
sont sujets à des pertes qui ne peuvent être transférées au moteur. Étant donné que les
moteurs électriques permettent la récupération d’énergie, le flux d’énergie entre la batterie
et le moteur peut être bidirectionnel. Dans le contexte de cette étude, il sera suffisant de
considérer que le convertisseur est simplement modélisé par un rendement de conversion
électrique constant qui sera le même autant en charge qu’en décharge.
En supposant que le dispositif de stockage énergétique ne comprenne uniquement qu’une
batterie, la puissance électrique à fournir au moteur par la batterie s’écrit :
p
b
b
PP (44)
Où ηb est le rendement de conversion énergétique de la batterie (convertisseur + batterie) et
Pp est la puissance disponible à la sortie du moteur électrique.
2.5.2 Modèle des supercapacités
Tout comme les batteries, les supercapacités (SC) sont caractérisées par une puissance
spécifique et une énergie spécifique donnée. La particularité des SC de pouvoir produire
une puissance très élevée leur confère une puissance spécifique pouvant facilement
atteindre 10 kW/kg. Cependant, la capacité de stocker de l’énergie de ces dispositifs est très
inférieure à celle des batteries atteignant des valeurs autour de 5 Wh/kg. Leur durée de vie
est toutefois très importante et ces dispositifs peuvent supporter plus de 500 000 cycles.
Pour l’application visée, on va également supposé que les caractéristiques des SC citées
plus haut sont constantes. Une masse MSC de ce type de stockage permet de produire une
puissance maximale donnée par :
,SC SC sp SCMAXP M p (45)
84
Et l’énergie stockée dans cette masse est donnée par l’expression suivante :
,SC SC sp SCE M e (46)
La puissance fournie par les SC doit également être convertie pour être transmise au
moteur. Ainsi, la puissance que devrait fournir un dispositif uniquement compris de SC
serait donnée par :
p
SC
SC
PP (47)
Avec ηSC, le rendement de conversion énergétique des supercapacités (convertisseur + SC).
La puissance spécifique et la durée de vie élevées des SC sont des atouts importants lors du
dimensionnement des dispositifs de stockage énergétique surtout pour les autobus de
transport urbain. Les arrêts et départs fréquents caractérisés par les cycles effectués par ce
type de véhicule provoquent des pointes de puissances importantes que doit fournir la
source. Étant donné que l’autobus de transport urbain parcoure des profils de conduite
récursifs où la distance est toujours la même, on cible habituellement son autonomie en
fonction du fait qu’au cours d’une mission, il puisse effectuer un nombre fixe de répétitions
de ces profils (p.ex. 10 fois le profil de conduite NYC Bus Cycle en boucle).
En dissociant la partie puissance de la partie énergie (autonomie), les SC permettent, d’une
Technologie de batterie Énergie spécifique (Wh/kg) Puissance spécifique (W/kg)
Acide-Plomb (PbA) 35-50 150-400
Nickel Metal Hydride (NiMH) 70-95 200-300
Nickel Sodium Chlore (NiNaCl2) 90-120 130-160
Lithium-Ion (Li-Ion) 150-220 245-435
Lithium-Ion Polymer (LiPo) 130-200 260-450
Supercapacités (SC) 1-10 Jusqu’à 25 000
TABLEAU 6 : CARACTÉRISTIQUES TECHNIQUES DE QUELQUES TECHNOLOGIES DE BATTERIES [9].
85
certaine manière, d’optimiser la masse et le volume du dispositif en fonction de
l’autonomie désirée du véhicule. Cette spécificité qu’apportent les SC sera clarifiée dans la
section suivante.
2.5.3 Modèle de la source hybride
Le dispositif de stockage énergétique pour l’application aux autobus électriques est
composé d’une masse de batteries Mb et d’une masse de supercapacités MSC (SC). On note
Rb, le ratio de la masse de batteries sur la masse totale du dispositif.
b
b
s
MR
M (48)
Où ms est la masse totale du dispositif (la source).
Le ratio Rb varie entre 0 et 1. Par extension, le ratio de SC, RSC, sur la masse totale du
dispositif est donné par l’expression
1 SCSC b
s
MR R
M (49)
Avec
s b SCM M M (50)
Plus le ratio Rb d’un dispositif est élevé, plus il permet une grande autonomie aux dépens de
la puissance qu’il pourra fournir. Par contre, plus il est faible, plus il pourra fournir de la
puissance aux dépens cette fois de l’autonomie. L’optimisation de ce ratio fera intervenir
l’autonomie recherchée pour une application donnée et la puissance maximale du moteur
observée pour cette application.
L’autonomie du véhicule, comme on l’a vu précédemment à la section 2.3.4, dépend de
l’énergie consommée sur un profil de conduite et de la capacité du dispositif de stockage
énergétique. À partir des expressions (43), (46), (48) et (49), on peut écrire Es, la capacité de
la source hybride :
86
, ,1s s b sp b b sp SCE M R e R e (51)
À partir des expressions (34) et (51), on peut réécrire l’autonomie dAut du véhicule comme :
, ,1s b sp b b sp SC profil
Aut
profil
M R e R e Dd
E (52)
Où Eprofil est l’énergie consommée par le véhicule et Dprofil, la distance parcourue sur le
profil de conduite. Il est à noter que le calcul de l’énergie consommée sur le profil fait
intervenir le rendement du moteur. L’énergie consommée sur le profil dépend également du
rendement de conversion de la source utilisée. Dans ce cas, il existe deux (2) rendements de
conversion de la source, celui de la batterie et celui des SC. Le calcul de l’énergie sur le
profil prend en considération le choix du rendement de la source à utiliser en fonction de la
puissance motrice instantanée requise. Si la puissance requise dépasse le seuil maximal que
peut produire la batterie, ce sera les SC qui s’occuperont de produire la puissance
supplémentaire. Ce calcul est effectué pour chaque point du profil de conduite. Dans le
cadre de ce projet, par contre, les rendements de conversion des deux types de sources
seront considérés égaux ce qui simplifie le calcul de la puissance instantanée produite par le
moteur.
La puissance maximale que peut fournir le dispositif hybride est donnée par :
, ,1s b SC s b sp b b sp SCMAX MAX MAXP P P M R p R p (53)
La puissance disponible au moteur est dépendante du ratio de conversion de chaque type de
source du dispositif hybride. Afin de mieux saisir le comportement de la source hybride, le
schéma du chemin de l’énergie de la source hybride au moteur est présenté à la figure 26.
Ainsi :
, ,1p s b b sp b SC b sp SCP M R p R p (54)
En remaniant les expressions (52) et (53), on arrive à déterminer la masse de la source
nécessaire pour satisfaire l’autonomie et la puissance requises pour l’application en
fonction du ratio de batteries Rb. Ainsi,
87
,
, ,1aut
aut profil
s d
b sp b b sp SC profil
d Em
R e R e D (55)
,
, ,1
s MAXs P
b sp b b sp SC
Pm
R p R p (56)
Les expressions (55) et (56) correspondent respectivement aux contraintes de masse ms,daut
et ms,P en fonction de l’autonomie (daut) et de la puissance (Ps|MAX) requises pour le
dimensionnement du DSE. Pour tout ratio Rb donné, elles doivent impérativement être
respectées. La Figure 27 illustre ces deux contraintes en fonction du ratio de batteries Rb.
On peut observer l’effet de la variation du ratio de batteries sur la masse totale du véhicule
(axe X). Pour une contrainte d’autonomie donnée (par extension, on cible une énergie
donnée qui nous permet de parcourir la distance établie par l’autonomie), plus le ratio est
élevé, plus la masse du dispositif diminue. En effet, l’énergie spécifique que procurent les
batteries électrochimiques est généralement beaucoup plus élevée que celle des SC. Ceci
explique que pour une même masse, la batterie permet, à puissance constante, beaucoup
plus d’autonomie que les SC. En contrepartie, plus le ratio de batteries est élevé, plus la
masse de batteries doit augmenter pour subvenir aux besoins de l’application en termes de
puissance maximale requise. En effet, on a vu que la capacité des supercondensateurs à
fournir de la puissance est beaucoup plus élevée que celle des batteries électrochimiques.
FIGURE 26 : SCHÉMA DU CHEMIN PARCOURU PAR LA PUISSANCE DE LA SOURCE HYBRIDE JUSQU'AU MOTEUR.
88
Il est important de mentionner que les contraintes Ps|MAX et daut sont considérées constantes
sur toute la plage de variation du ratio Rb. En théorie, lorsque la masse du dispositif varie
pour une application donnée, la puissance maximale requise Ps|MAX varie également. En
effet, la masse est dépendante de la puissance requise au niveau moteur. Si la masse de la
source hybride augmente, le moteur devra fournir un effort plus important (puissance plus
élevée). Et conséquemment, l’énergie consommée sur le profil de conduite sera influencée
à la hausse. Puisque l’autonomie daut est directement dépendante de l’énergie consommée
sur le profil (Eprofil), celle-ci changera également.
Pour respecter les contraintes de puissance et d’autonomie, la masse de la source (axe Y)
doit toujours être supérieure ou égale aux points des deux (2) courbes (zone grise de la
Figure 27). Il existe, dans certains cas comme celui-ci, un point de rencontre de ces deux
FIGURE 27 : ILLUSTRATION DE L'EFFET DU RATIO DE BATTERIES SUR LA MASSE TOTALE DU DISPOSITIF DE
STOCKAGE ÉNERGÉTIQUE. CAS PARTICULIER D’UNE SOURCE HYBRIDE COMPOSÉE DE BATTERIES À BASE LITHIUM
ET DE SUPERCAPACITÉS (ESP,B=0.2 KWH/KG; PSP,B=0.5 KW/KG; ESP,SC=2.53 WH/KG; PSP,SC= 5.9 KW/KG;
RB,OPT= 84%; DAUT REQ = 33 KM; PMAX_PROFIL = 393.5 KW)
Zone de respect des deux (2) contraintes Rb,opt
89
(2) courbes qui permet de minimiser la masse de la source nécessaire pour répondre aux
contraintes. On obtient à ce point, le ratio Rb optimal à utiliser pour dimensionner le
dispositif de stockage énergétique.
Prenons l’exemple de la Figure 27. On cherche à optimiser la masse de la source pour
pouvoir parcourir 33 km (contrainte d’autonomie) sur le profil de conduite « New York
City Cycle » (NYCC). Par ailleurs, on a observé que la puissance maximale à fournir par le
moteur au cours du profil est de 394 kW (Contrainte de puissance). À partir des courbes de
la Figure, on observe qu’il est possible de respecter ces deux contraintes pour une masse de
sources hybrides minimales d’environ 320 kg dont 84% (Rb,opt) de cette masse provient des
batteries.
Dans certaines applications, le choix du type de batterie ou des supercapacités ne permet
pas d’obtenir un point optimal sur le diagramme masse/ratio. Leurs propriétés électriques
ne sont alors pas « complémentaires » pour ces deux types de sources utilisées pour
l’hybridation du dispositif de stockage.
La Figure 28 illustre effectivement ce cas particulier. La zone ombragée de la Figure 28A
présente un point qui minimise la masse du dispositif à la rencontre des courbes de
puissances et d’autonomie démontrant l’avantage d’utiliser une source hybride. La Figure
28B, quant à elle, présente un cas où les propriétés électriques des deux sources utilisées ne
permettent pas de trouver un point optimal qui montrerait un compromis entre l’autonomie
et la puissance. Pour une source faite de batteries NiMH (65 Wh/kg et 600 W/kg) et de SC
(2.5 Wh/kg et 5900 W/kg), la contrainte critique n’est donnée que par l’autonomie (zone
ombragée au dessus de la courbe d’autonomie). Il n’y a pas de point de rencontre entre les
deux (2) courbes de contraintes. Ainsi, pour tout point sur la courbe d’autonomie, la
contrainte de puissance est satisfaite. Pour respecter les deux contraintes et minimiser la
masse, le ratio doit être de 100%. Ceci indique que dans ce cas, l’utilisation de
supercondensateurs ne semble procurer aucun avantage.
90
Pour un constructeur d’autobus de transport urbain, l’hybridation du dispositif de stockage
énergétique peut devenir un outil intéressant pour cibler des performances avec un degré de
précision supérieur à l’utilisation d’une seule source. Le choix des caractéristiques
électriques des batteries et des supercapacités influence la masse du dispositif à
dimensionner. Il faut s’assurer que les deux (2) sources utilisées sont complémentaires au
sens où l’une est orientée pour répondre à la contrainte de puissance tandis que l’autre
répond à la contrainte d’autonomie. En les choisissant adéquatement, on peut arriver à un
point optimal qui permet non seulement de cibler précisément les critères de performances
de la source, mais également de minimiser son poids.
NOTA BENE: Il est à noter que cette modélisation comporte certaines limitations.
Considérons le cas de la source hybride. Dans son analyse, on développe un modèle qui ne
considère que les maximums potentiels en termes d’énergie et de puissance. Par exemple,
on peut lancer une simulation avec des paramètres en entrée et obtenir à la sortie des
résultats qui nous informent sur la dimension (masse) des supercapacités et des batteries du
dispositif de stockage énergétique, ainsi que sur leur capacité respective à délivrer de la
puissance et à fournir de l’énergie. Pour une étude de prédimensionnement, cela peut
paraître suffisant mais, pour être plus consistant avec la réalité, il faudrait aller un peu plus
A) B)
FIGURE 28: ILLUSTRATION DE L’EFFET DU CHOIX DU TYPE DE BATTERIES SUR LES COURBES DE PUISSANCES ET
D’AUTONOMIE DU DISPOSITIF DE STOCKAGE ÉNERGÉTIQUE HYBRIDE. A) NINACL2 ET SC. B) NIMH ET SC.
Zone de respect des deux (2) contraintes Zone de respect des deux (2) contraintes
91
loin.
Supposons un cas où, suite à une simulation, la masse du DSE serait composée à 98% de
batteries et 2% de supercaspacités. Dans ce scénario, les batteries sont utilisées en bonne
partie pour fournir l’énergie nécessaire permettant à l’autobus une certaine autonomie. Or,
ces batteries ne semblent pas en mesure de fournir la puissance maximale observée sur un
profil de conduite donné. Dans ce cas, les supercapacités viennent en aide aux batteries
pour fournir l’excédant de puissance. C’est bien mais, supposons qu’elles doivent fournir
cet excédant de puissance sur quelques secondes voire même une dizaine, ces
supercapacités devront alors avoir l’énergie emmagasinée nécessaire pour soutenir une telle
charge. Or, on a vu que ces dispositifs de stockage sont limités en termes de capacité
énergétique (esp,SC très faible). Ainsi, dans certains cas, les supercapacités, bien qu’elles
soient performantes en termes de puissance, ne pourraient plus fournir l’excédant de
puissance requise puisque leur énergie emmagasinée serait épuisée. Qui plus est, si,
quelques secondes plus tard, l’autobus devait requérir une autre pointe de puissance, ces
mêmes SC, n’ayant pas été rechargées par un moyen quelconque, ne pourraient fournir
l’excédant exigé.
L’outil de modélisation développé dans cet ouvrage considère que les supercapacités sont
non seulement en mesure de fournir l’énergie nécessaire pour fournir les pointes de
puissances exigées par l’application mais, également qu’elles sont constamment à pleine
charge (SoC = 100%). Cet élément vient sans contredit limiter la précision de l’outil et doit
être considéré lors de l’analyse des résultats.
2.6 Conclusion
Au Chapitre 1, on a décrit l’autobus de transport urbain et tout ce qui s’y rattache afin de
déterminer quels facteurs doivent être considérés pour étudier le comportement d’un tel
véhicule. Au terme du Chapitre 2, la modélisation des principales composantes de l’autobus
a été développée en se basant sur des principes physiques de base régissant le
comportement d’un véhicule. Les équations analytiques déduites de ce chapitre nous
permettent enfin d’aborder la partie la plus significative de ce travail soit : la simulation
d’un autobus de transport urbain tout électrique au cours d’une mission particulière. Pour
92
arriver à simuler un tel comportement, un outil de modélisation a été développé afin
d’exploiter les outils mathématiques développés au cours de ce chapitre. À l’aide de cet
outil, il sera possible de répondre à plusieurs interrogations concernant les autobus de
transport urbain tout électrique notamment en ce qui a trait à la taille et la masse de la
batterie nécessaire pour accomplir une mission. Le Chapitre 3 présentera cet outil de
modélisation, mais également, des résultats de simulations ciblées pour correspondre à
plusieurs scénarios réels.
Chapitre 3. Pré-dimensionnement d’un autobus de
transport urbain électrique
Le présent mémoire traite essentiellement de la modélisation d’un autobus de transport
urbain électrique évoluant dans le contexte d’une mission telle que décrite précédemment.
On a amplement discuté dans les chapitres précédents de la description de l’autobus
électrique en soi et de sa modélisation mathématique. Dans ce chapitre, on aborde
l’aboutissement de cette étude soit, la simulation de l’autobus dans divers contextes. Pour
pouvoir simuler l’autobus, il faut adapter et interpréter le modèle analytique développé au
précédent chapitre sous une plateforme logicielle. On choisit pour cette étude la plateforme
logicielle de Microsoft Excel (2003) en combinaison avec le langage de programmation
Visual Basic for Applications (VBA). D’autres plateformes auraient pu être utilisées pour
faire ce même travail mais, étant donné qu’une ébauche d’outil de pré-dimensionnement de
Dehlinger, N. [16] a déjà été développée précédemment, il a été préférable de l’adapter aux
besoins de ce mémoire. D’ailleurs, le terme de « pré-dimensionnement » est bien choisi
dans le contexte de cette étude puisqu’il s’agit ici de donner un ordre de grandeur aux
paramètres techniques (autonomie, masse du DES, puissance du moteur) d’intérêt sans
pousser l’étude vers une mesure précise dans l’optique de produire, avec l’outil, un design
final d’un autobus électrique.
Le chapitre présentera sommairement l’état de l’art entourant les autobus électriques et leur
modélisation. On présentera ensuite l’outil en soi qui a été développé en y expliquant ses
différentes facettes. Par la suite, on met à l’œuvre l’outil afin de valider son
fonctionnement. L’Écolobus sera utilisé comme véhicule de référence pour la validation
puisqu’une foule d’information privilégiée nous est disponible, gracieuseté du CNTA [8].
Enfin, on utilisera l’outil pour répondre à certaines interrogations sur le pré-
dimensionnement d’un autobus de transport urbain électrique de taille conventionnelle.
Mais d’abord, abordons ce chapitre en présentant les principales fonctions que devra
exécuter l’outil.
94
3.1 État de l’art
L’électrification des transports en commun et en particulier pour les autobus a fait l’objet
de nombreuses recherches. La majorité d’entre elles traitent du potentiel de réduction de la
consommation d’essence en introduisant l’hybridation de la traction de l’autobus.
Les travaux de modélisation de Choi, U.D. et al. [30], de Hasanzadeh, A. et al. [31] et de
Guijun, C. et al. [32] démontrent qu’une sélection intelligente (basée sur des algorithmes
sophistiqués) des paramètres dimensionnels de l’autobus permettrait des gains notables sur
la consommation d’essence.
Hasanzadeh, A. et al. [31] ont démontrés qu’en utilisant une structure mécanique hybride
série basée sur un moteur à combustion interne de 35 kW et d’un moteur électrique de 49
kW, on pouvait obtenir environ 15% de réduction sur la consommation d’essence
comparativement à un autobus conventionnel de 105 kW. Choi, U.D. et al. [30] ont observé
des réductions allant jusqu’à 30% en utilisant alors des batteries de type NiMH quoique le
dimensionnement du moteur électrique soit beaucoup plus important avec une puissance
motrice électrique de 240 kW. Les travaux de Guijun, C. et al. [32] révèlent que
l’utilisation de stratégies adéquates dans la gestion intelligente de l’énergie peut permettre
une réduction substantielle de la consommation d’essence. En optimisant les paramètres
liés à la régénération d’énergie, il est possible selon eux de réduire la consommation de près
de 20%.
Bien que ces travaux démontrent l’avantage d’utiliser la traction électrique dans les autobus
de transport urbain, peu d’entre eux se sont intéressés au design de véhicules entièrement
électriques. Le coût important des batteries ainsi que l’autonomie limitée inhérente à ces
configurations sont des raisons qui ont contribué à l’impopularité de celles-ci. Pourtant,
certains auteurs s’y sont intéressés. Plusieurs des études qui ont été conduites sur la
modélisation et la simulation des autobus entièrement électriques se sont concentrées sur
des aspects très précis du design.
95
Par exemple, Chunbo, Z. et al. [33] et Jinrui, N. et al. [34] se sont concentrés sur les effets
de l’utilisation des supercapcités lors du design d’un autobus tout électrique. Dans l’article
de Chunbo, Z. et al. [33], l’utilisation de ce type de source d’énergie électrique est motivée
par leur très grande densité de puissance, leur longue durée de vie, leur très grande
cyclabilité ainsi que leur possibilité de se recharger très rapidement. Étant donné leur faible
densité d’énergie, les supercapacités ne peuvent permettre à un autobus de parcourir un
trajet sur une longue distance. Dans le contexte de leur étude, on propose de développer un
autobus muni uniquement de SC et ne parcourrait que 20 km entre deux terminaux avant
d’être recharger très rapidement. Les tests ont prouvé que le design proposé permettait une
autonomie de 25 km. Le moteur électrique de l’autobus de 10 tonnes peut fournir 60 kW,
mais peut soutenir des pointes de puissance de 90 kW. De tels designs avec autonomie
réduite pourraient être convenables pour des applications de transports de passagers dans
des aéroports et les gares de trains par exemple.
Jinrui, N. et al. [34], quant à eux, se sont intéressés aux effets causés par l’ajout de
supercapacités dans la gestion énergétique de l’autobus. L’autobus tout électrique est
d’abord muni de batteries qui souffrent d’une longévité limitée et de densité de puissance
réduite. Ils ont développé des designs avec et sans SC et ont démontrés d’une part que
l’ajout de SC permettait à l’autobus d’améliorer la longévité de la batterie en limitant les
pointes de courant dans celle-ci. D’autre part, étant donné la densité de puissance élevée
des SC, l’autobus obtenait des performances en termes d’accélération supérieures à celles
de l’autobus muni exclusivement de batteries. Enfin, les auteurs ont démontré que
l’utilisation des SC dans le design du véhicule se traduisait par une consommation
énergétique (Wh/km) établie à 77% de la valeur de celle de l’autobus standard muni de
batteries seulement.
L’intérêt des SC est donc notable lorsqu’on les utilise dans un contexte du développement
d’un autobus de transport urbain. Le travail développé dans ce mémoire étudie également
l’influence des SC sur le design du dispositif de stockage énergétique.
Quelques études, celles de Jinrui, N. et al. [34], Zeng, X., et al. [35], Ximing, C. et al. [36]
et Gao, S. et al. [37] abordent le sujet de ce mémoire à savoir le dimensionnement des
96
Cibles de performance
Vitesse Maximale
[km/h]
Tenue de route en côte
[%]
Temps d'accélération
[s]
Autonomie
[km]
Étude [35] ≥ 100 ≥ 30 ≤ 15 (de 0 à 50 km/h) ≥ 200
Étude [36] ≥ 70 ≥ 20 ≤ 50 (de 0 à 60 km/h) ≥ 50
Étude [37] ≥ 100 ≥ 20 ≤ 9 (de 0 à 50 km/h) ≥ 100
Performances obtenues
Étude [35] 120 N.D. < 14 (de 0 à 50 km/h) > 200
Étude [36] N.D. N.D. N.D. N.D.
Étude [37] 95 19.6 9.2 (de 0 à 50 km/h) 118
Paramètres
dimensionnels
Établis
Puissance motrice électrique maximale
[kW]
Capacité du DSE
[kWh]
Étude [35] 90 58
Étude [36] 96 58
Étude [37] 75 32
TABLEAU 7 : COMPARAISON DES PARAMÈTRES ISSUS DES ÉTUDES DIMENSIONNELLES PRÉSENTÉES DANS [35], [36] ET
[37]
principaux composants d’un autobus. Ces auteurs obtiennent des résultats de
dimensionnement à l’aide de l’approche proposée dans ce mémoire. On détermine la
puissance motrice ainsi que l’énergie totale du DSE nécessaire pour permettre au véhicule
de parcourir un trajet à partir des cibles de performances établies. On base le
dimensionnement sur la modélisation mathématique des performances dynamiques (vitesse
maximale, accélération, tenue de route en côte) de l’autobus.
Le tableau 7 résume les résultats du dimensionnement des différentes configurations
d’autobus électriques présentés dans les ouvrages mentionnés plus haut.
Zeng, X., et al. [35] sont les seuls à avoir étudié le dimensionnement d’un autobus 100%
électrique. Le calcul de la puissance motrice maximale a été dérivé en se basant sur
l’équation (18) de la dynamique du véhicule. Contrairement à l’approche présentée dans ce
mémoire, leur outil calcule la puissance en se basant uniquement sur les critères de
performances du véhicule sans se soucier du profil de conduite. La puissance maximale
retenue est le résultat du calcul de trois (3) puissances basé sur la vitesse maximale, la tenue
de route en côte et le temps d’accélération de l’autobus. On obtient respectivement 65, 90 et
97
70 kW. La puissance maximale est donc le résultat maximal de ces trois valeurs soit 90
kW. Ils considèrent un facteur de surcharge du moteur de 2 ce qui leur permet de choisir
une puissance nominale de 45 kW pour leur moteur.
Ce calcul de puissance maximale ne reflète pas la réalité où l’accélération instantanée du
véhicule joue un rôle très important. Le profil de conduite est justement utilisé pour
permettre de cibler les points où l’accélération est très importante. Le mémoire présenté ici
base son calcul de puissance à partir de chaque point d’un profil de conduite habituellement
utilisé par les autobus.
Le calcul de la capacité de la source d’énergie, par Zeng, X., et al. [35], ne se base pas sur
la puissance instantanée pour chaque point du profil de conduite. Les auteurs considèrent
plutôt une puissance constante (à vitesse constante de 50 km/h) et détermine la capacité de
la batterie en fonction de l’autonomie ciblée de 200 km. On obtient ainsi une capacité de 58
kWh.
On ne connaît pas les paramètres dimensionnels de l’autobus en question comme sa masse
ou son coefficient de roulement et autres facteurs importants dans le calcul de la puissance
motrice et de la capacité de la batterie.
Les travaux de Ximing, C. et al. [36] et Gao, S. et al. [37] utilisent une méthode similaire à
Zeng, X., et al. [35] pour déterminer les paramètres du moteur électrique et de la source du
véhicule. Cependant, ces travaux se focalisent sur des architectures hybrides. . En effet, ces
auteurs se consacrent aux autobus hybride série. Dans ce contexte, Ximing, C. et al. [36]
introduisent un facteur d’hybridation qui traduit l’apport en puissance (en %) provenant de
la partie électrique pour la traction de l’autobus. Le facteur d’hybridation est défini par
(PEM – PAPU) / PEM où PEM est la puissance motrice du moteur électrique et PAPU, la
puissance du moteur auxiliaire à combustion interne. Les auteurs démontrent que plus le
facteur est élevé (Apport en puissance électrique élevé), plus la consommation d’essence
diminue. Par contre, l’autonomie de l’autobus hybride est moins importante à faible facteur
qu’à fort facteur d’hybridation en raison de l’énergie limitée disponible dans les batteries.
Plus le facteur est important, plus la puissance du moteur auxiliaire est faible et moins cette
unité auxiliaire peut contribuer à la traction de l’autobus.
98
Gao, S. et al. [37] proposent une comparaison des performances d’un design issu du
dimensionnement d’un autobus hybride sur deux (2) profils de conduite différents. Ils
arrivent à la conclusion que l’hybridation de l’autobus permet des gains d’accélération sur
les deux (2) profils lorsqu’on le compare avec un autobus conventionnel. On obtient des
économies d’essence de l’ordre de 17 % pour le profil de conduite UDDS et de 8% pour le
profil HWFET. Il est intéressant de constater que l’économie d’essence d’un autobus
hybride série est plus importante en milieu urbain (UDDS) que sur l’autoroute (HWFET).
Toutes les simulations proposées par ces auteurs ([35] à [37]) ont été portées sur le logiciel
de modélisation de véhicule ADVISOR sur la plateforme de Matlab/Simulink.
L’étude dimensionnelle présentée dans le cadre de ce mémoire se focalise davantage sur
l’obtention d’un ordre de grandeur pour chaque composant principal de l’autobus
(puissance motrice et DSE). Dans le cas du DSE, on veut fournir une indication sur sa taille
et l’impact qu’elle peut avoir sur la dynamique du véhicule. Est-il judicieux de proposer un
design de véhicule muni d’une source pesant 2 tonnes? C’est à ce questionnement
qu’entend répondre cette étude. On ne s’intéresse pas à l’économie d’essence que peuvent
proposer les designs obtenus de l’étude dimensionnelle. L’objectif est de proposer un
design propice à l’utilisation d’un autobus soumis à un contexte d’utilisation bien précis.
L’étude dimensionnelle entend également combler un vide sur l’impact du chauffage de la
cabine sur le dimensionnement du DSE.
L’outil développé est présenté en détail dans les prochaines sections.
3.2 Fonctions principales de l’outil
L’objectif de ce travail est d’utiliser le modèle du véhicule décrit précédemment afin de
simuler son déplacement sur un parcours donné. De cette simulation, on peut déduire
approximativement le dimensionnement du dispositif de stockage énergétique (sa masse) et
du moteur du véhicule. Ce dimensionnement dépend des critères de performances liées à
une application bien particulière.
99
L’application réelle en question concerne l’évolution du comportement d’un autobus de
transport urbain exposé à des conditions environnementales données circulant sur un profil
de conduite précis. L’outil de modélisation permet de simuler l’évolution du véhicule sur ce
profil de conduite. À partir des critères de performances choisis pour une application
(autonomie désirée, choix du profil de conduite, dénivellation maximale sur le parcours,
etc.), l’outil permet de pré-dimensionner les principales caractéristiques du moteur du
véhicule et du dispositif de stockage énergétique.
Les principales fonctions de l’outil consistent à déterminer :
la puissance maximale que le moteur doit développer sur le profil de conduite pour
satisfaire les critères de performances établis par l’utilisateur.
le couple maximal que doit fournir le moteur sur le cycle dépendamment des
paramètres de l’architecture du véhicule.
la masse du dispositif de stockage énergétique nécessaire pour garantir les requis en
termes de puissance et d’autonomie fixés par l’utilisateur.
Bien que l’outil présente une solution pour répondre à ces fonctions, il permet également de
donner certains détails sur le modèle du véhicule simulé. On peut entre autres :
visualiser la puissance instantanée sur le cycle et cibler les pointes qui seront
déterminantes pour déterminer la vitesse de base du moteur.
visualiser la distribution du couple moteur en fonction de la vitesse du véhicule.
examiner l’influence de la variation du ratio de batteries sur la masse du dispositif
de stockage énergétique.
Cet outil est orienté pour donner une indication sur la puissance du moteur et la masse du
dispositif de stockage énergétique. Il ne permet pas de déterminer quel type et/ou structure
de moteur à utiliser pour une application. Il ne permet pas non plus de déterminer quel
convertisseur d’énergie électrique choisir pour faire le pont entre le dispositif de stockage
énergétique et le moteur électrique. Le modèle développé permet donc le pré-
dimensionnement des caractéristiques principales du véhicule. Il peut être utilisé dans une
phase qui précède la conception de la structure électrique d’un véhicule dont le cahier des
charges est connu.
100
Cependant, l’outil à l’avantage de donner assez de précision pour orienter le choix d’un
type de moteur ou d’une source tout en restant simple à l’utilisation. Son approche est assez
intuitive pour permettre à quiconque de l’utiliser.
Dans le contexte de cette étude, le niveau d’abstraction du modèle peut être faible, car
certaines questions fondamentales au sujet du design d’un autobus de transport urbain
entièrement électrique n’ont pas encore été étudiées. Ce travail permet de mettre la lumière
sur certaines d’entre elles notamment en ce qui a trait au dimensionnement du dispositif de
stockage énergétique et du moteur électrique.
3.3 Environnement
L’environnement de modélisation utilisé par l’outil est basé sur la plateforme de Microsoft
Excel en combinaison avec le langage de programmation Visual Basic. Ce choix a été
motivé par le fait qu’une ébauche de projet connexe à celui-ci a déjà été développée sous
cette même plateforme. L’environnement de Microsoft Excel présente des avantages
notamment en raison de sa facilité d’utilisation. La plateforme logicielle étant largement
répandue, un nombre important de ressources sont disponibles sur le web pour optimiser le
code du programme le cas échéant. L’outil solveur en combinaison avec les fonctionnalités
d’Excel permet d’effectuer des opérations d’optimisation autrement complexes à implanter.
Par ailleurs, cette solution souffre par son manque de portabilité. À titre d’exemple, l’outil
développé ne fonctionne que sur la version de Microsoft Office 2003. L’outil ne fonctionne
pas avec la version de Microsoft Office 2004 pour Mac OS X ou avec la version de
Microsoft Office 2007 sous Windows. Les librairies de fonctions utilisées par l’outil ne
sont pas toujours les mêmes d’une version à l’autre et certaines, essentielles au
fonctionnement de l’outil, ne sont tout simplement pas disponibles sur certaines versions ou
encore, elles ont changé de nom. Ceci complique le développement et la pérennité de l’outil
pour les versions futures. De plus, cette solution programmable fonctionne
séquentiellement ce qui implique que tous les calculs doivent être faits un à la suite de
l’autre ce qui ralentit la vitesse de calcul de l’outil. Puisque la plateforme sous Microsoft
Excel 2003 ne tire pas profit du caractère multitâche des processeurs, le temps de calcul de
101
certaines simulations peut être très long. Bien qu’il y ait matière à optimisation dans
certains cas, il demeure que cette solution a ses limitations quant à ses capacités de calculs.
Par ailleurs, la plateforme de Microsoft Excel est basée sur le principe des tableurs. Cette
propriété comporte de nombreux avantages et permet notamment, en changeant un simple
paramètre, de mettre à jour tous les champs y référent instantanément. L’outil tire
énormément profit de cette propriété, mais il en subit également les inconvénients. Le
changement d’une variable par inadvertance peut très rapidement répandre une erreur dans
toutes les feuilles du tableur et peut devenir difficile à retracer dans certains cas. Le
problème provient du fait que dans ces cas là, le logiciel ne permet pas nativement de
notification de changement permettant de retracer une modification.
3.4 Présentation de l’outil
L’interface de l’outil est présentée de telle sorte que l’utilisateur est appelé à naviguer à
travers diverses feuilles de calcul Excel ayant chacune leur fonction propre lors du
dimensionnement de l’autobus. Dans la version actuelle de l’outil, six (6) feuilles de calcul
sont définies pour produire des résultats de simulation (figure 29). Chaque feuille reflète un
élément de modélisation du système global. L’utilisateur intervient lors d’une simulation
par l’intermédiaire de boutons de commande propres à chacune des feuilles. Ils activent
des fonctionnalités de l’outil et font intervenir les équations du modèle mathématique du
véhicule. Le principe de fonctionnement général de l’outil est présenté sous forme d’un
organigramme à la figure 30.
Il y a d’abord la feuille « Page Principale » qui comporte toutes les données et paramètres
utiles au dimensionnement. C’est le panneau de contrôle de l’utilisateur pour orienter la
modélisation. Toutes les autres feuilles se baseront sur les paramètres de cette feuille pour
résoudre leurs équations.
Ensuite, on trouve la feuille « Masse charge variable ». Cette feuille est utilisée si on désire
prendre en considération le fait que la charge de l’autobus varie sur son parcours par
l’embarquement ou la descente de passagers. Puisque ce phénomène est aléatoire, on a
implémenté cette particularité au modèle.
102
FIGURE 29 : DISPOSITION DES PRINCIPALES FEUILLES DE CALCUL EXCEL DE L’OUTIL DE MODÉLISATION
Ensuite, on trouve la feuille « caractéristique selon cycle
2 » qui présente les caractéristiques
du modèle en rapport au profil de conduite choisi pour la simulation. À partir des points du
profil de conduite choisi (tirés de la feuille « cycles de conduite »), on déduit le couple
moteur et la puissance motrice observés pour chacun des points du profil. Cela permet
d’avoir un ordre de grandeur du moteur nécessaire pour l’application. Les paramètres de ce
dernier seront peaufinés et adaptés à la feuille « Caractéristiques moteur » pour mieux
répondre aux besoins de l’application. Si l’utilisateur désire observer l’impact de l’énergie
de chauffage de l’habitacle sur le dispositif de stockage énergétique (DSE) au cours d’une
mission, la feuille « Caractéristiques Thermiques » répond à ces considérations.
Le dimensionnement du DSE est abordé dans la feuille « Caractéristiques Sources ». Dans
cette section, on calcule l’énergie nécessaire qu’il doit avoir pour pouvoir assurer une
autonomie désirée. Dans cette section, on observe également la dualité entre les types de
dispositifs utilisés dans le modèle soient : les batteries et les supercondensateurs. On peut
observer, par exemple, si les deux types de sources sont utilisés et dans quelle proportion
chacune.
Enfin, on trouve la feuille « Cycles de conduite » qui est utilisée pour emmagasiner toutes
les données propres aux profils de conduite utilisés dans le modèle. La feuille « Résultats »
est utilisée à des fins personnelles pour présenter des résultats de simulation.
2 Le terme cycle souvent employé dans l’outil signifie profil. Il s’agit d’une façon alternative pour faire
référence au profil de conduite.
103
Chaque feuille a son importance dans le processus de simulation bien que seulement quatre
(4) d’entre elles soient significatives. Il s’agit des feuilles « Page Principale »,
Caractéristiques selon cycle », « Caractéristiques moteur » et « Caractéristique Sources ».
On discutera dans le détail uniquement ces quatre (4) feuilles d’intérêt pour l’application.
3.4.1 La feuille « Page Principale »
Cette feuille est le point de départ de chaque simulation. Elle regroupe toutes les variables
d’entrée et de sortie du problème de pré-dimensionnement. Elle présente également une
section de contrôle qui permet de choisir les conditions de la simulation. Par exemple, on
peut choisir d’activer l’hybridation des sources (Batteries + SC) ou de prendre en
considération le chauffage de la cabine. Dans cette page, on peut également choisir de
lancer l’outil de simulation pour produire une seule simulation ou plusieurs une à la suite
FIGURE 30 : ORGANIGRAMME DE FONCTIONNEMENT DE L’OUTIL DE MODÉLISATION.
104
de l’autre et dont leurs paramètres sont inscrits dans un fichier de contrôle lié à l’outil. Les
variables d’entrée doivent être définies par l’utilisateur et les variables de sortie sont celles
que l’outil estime à partir des calculs effectués par l’outil au cours de la simulation.
Cette page comporte un code de couleur qui oriente l’utilisateur dans le fonctionnement de
l’outil :
Cellules informatives (couleur orangée) : ces cellules sont présentées à titre
informatif et ne peuvent être modifiées par l’utilisateur. Elles sont utilisées pour
faciliter les calculs à travers les différentes feuilles de l’outil.
Cellules variables (couleur verte) : ces cellules correspondent aux variables d’entrée
du modèle que l’utilisateur doit définir.
Cellules de contrôle (couleur jaune) : ces cellules activent des fonctionnalités de
l’outil qui orientent la simulation.
Cellules de sortie (couleur bleue) : ces cellules correspondent aux estimations
calculées à travers les différentes feuilles de l’outil concernant les performances du
véhicule en termes de force, de puissance, d’énergie et d’autonomie.
Les variables d’entrées sont de trois (3) types : celles qui caractérisent la simulation, celles
qui concernent le véhicule et celles qui activent les fonctionnalités de l’outil. Les
paramètres de simulation sont présentés au tableau 8.
Pour commencer, l’utilisateur a le choix de planifier plusieurs simulations automatiquement
à l’aide d’un fichier de référence associé à l’outil ou d’effectuer une seule simulation
manuellement. Pour chaque simulation, l’utilisateur peut choisir parmi trois types de
véhicule : un autobus traditionnel de 80 passagers, un microbus de 22 passagers ou le
modèle de véhicule EV1. Ce dernier modèle est utilisé à titre de référence pour la validation
de l’outil. Au choix du type de véhicule, l’outil génère automatiquement les paramètres par
défaut qui décrivent habituellement ce type de véhicule autant au niveau des paramètres de
la simulation qu’au niveau des paramètres du véhicule. Ensuite, on peut choisir le profil de
conduite désiré parmi une sélection qui correspond à la majorité des trajets empruntés par
105
les automobiles et les autobus (voir section 1.7.1). Les tolérances sur la force de traction et
sur l’autonomie correspondent à des facteurs de sécurité sur les valeurs obtenues par l’outil
lors des calculs. Autrement dit, si l’outil calcule une force de traction minimale du moteur
donnée pour un profil de conduite, l’outil amplifiera cette valeur correspondant à
l’amplitude de la tolérance voulue. Ce même principe s’applique pour l’autonomie. Le reste
des paramètres correspondent aux performances du véhicule à partir desquelles l’outil va
déterminer les caractéristiques du moteur et de la source.
La « Page Principale » présente également tous les paramètres relatifs au véhicule que ce
soit à propos de son moteur, de sa source principale d’énergie ou de ses dimensions (voir
tableau 9). Dans cette section, on retrouve les paramètres qui agissent sur les forces de
résistances, les masses en jeux dans le système, les paramètres relatifs à la configuration du
moteur et de sa transmission mécanique ainsi que les paramètres dimensionnels du
véhicule.
Ensuite, l’utilisateur peut, par le biais de cellules de contrôle, activer différentes options
pour la simulation qui affecteront le dimensionnement à la fois du moteur et du DSE. Le
tableau 10 montre les différents contrôles possibles pour orienter les résultats de simulation.
TABLEAU 8 : EXEMPLE DE PARAMÈTRES DE SIMULATION
106
On peut par exemple prendre en considération les pertes thermiques lors d’une simulation
dans un environnement hivernal. On peut également choisir de faire la simulation d’un
autobus lorsque le véhicule est vide ou lorsqu’il est plein par le biais du contrôle « Prise en
compte de la charge ». Par défaut, L’outil produit une simulation en ne considérant que des
batteries comme source d’énergie pour le DSE. Toutefois, il est possible, par le biais d’un
contrôle, d’activer l’hybridation des sources afin que l’outil dimensionne le DSE en
utilisant deux (2) sources d’énergie soient : des batteries et des supercapacités (SC). Le
contrôle de l’optimisation du ratio batteries/SC permet d’accentuer l’effet de l’hybridation
des sources lors d’une simulation. On verra plus loin de quelle façon on y arrive.
La « Page Principale » présente également, dans une section attitrée (tableau 11), les
TABLEAU 9 : EXEMPLE DE PARAMÈTRES RELATIFS AU VÉHICULE ET À SES DIMENSIONS
107
résultats de la simulation une fois qu’elle est terminée. On y trouve les principaux
paramètres d’intérêt lors du dimensionnement d’un autobus dont, entre autres, la masse du
DSE, la puissance maximale du moteur, l’autonomie de l’autobus, la force maximale
produite par le moteur au cours du profil de conduite, etc.
3.4.2 La feuille « Masse charge variable »
Cette feuille est utilisée lors de l’activation de la masse de charge. On présente d’abord,
dans un cadre clair, les principales variables d’intérêt pour cette section de l’outil comme le
profil choisi, la durée du profil, la masse pour chaque passager, etc. Sous le cadre, on
affiche, en actionnant le bouton Actualiser la masse, la vitesse, la masse de la charge ainsi
que la masse totale de l’autobus pour chaque point du profil de conduite sélectionné pour la
simulation. Chaque point est tiré des données propres au profil à partir de la feuille
« Cycles de conduite » (temps, vitesse).
L’outil permet de considérer les passagers de l’autobus comme une source de chaleur qui
peut être utilisée pour atténuer l’apport énergétique du système de chauffage de l’habitacle.
Autrement dit, chaque passager agit comme une petite chaufferette de 75 W et le système
central de chauffage voit l’énergie thermique à fournir amoindrie par les passagers. On
affiche pour chaque point du profil, la puissance et l’énergie thermique produite par les
passagers. Le graphique présenté dans cette feuille affiche l’énergie thermique produite par
les passagers au cours du profil de conduite. Le bouton « Actualiser les Graphs » permet de
rafraîchir les données du graphique.
L’outil permet également de gérer une masse de charge qui varie en fonction du temps pour
simuler les débarquements et les embarquements des passagers (Cellule de contrôle
TABLEAU 10 : EXEMPLE DE CONTRÔLES POUR ORIENTER LA SIMULATION
108
Mcvar_ON_ de la « Page Principale »). Cette fonction est utile pour mesurer l’impact
d’une charge variable lors du dimensionnement de l’autobus. En effet, il peut être
intéressant de discerner la différence entre un autobus considéré toujours plein d’un autobus
qui reflète la réalité quant à son achalandage lors du dimensionnement.
Le tableau 12 présente un extrait de la feuille « Masse charge variable ».
3.4.3 La feuille « Caractéristiques selon cycle »
Cette feuille regroupe toutes les données nécessaires dans le temps pour calculer le couple
et la puissance requis par le véhicule afin qu’il suive le profil de conduite sélectionné. Les
données de temps, de vitesse et d’accélération sont tirées de la feuille « cycles de
conduite » et le couple et la puissance sont calculés à partir des équations du modèle
exprimé mathématiquement dans la section 2.2. En appuyant sur le bouton Actualiser,
l’outil met à jour les données du profil de conduite et calcule pour chaque point, le couple
TABLEAU 11 : EXEMPLE DES PRINCIPAUX PARAMÈTRES DE SORTIE DE LA SIMULATION
109
et la puissance vue du moteur (c’est-à-dire que la puissance observée au point de contact
entre les roues et le sol est transmise au moteur par le biais des systèmes de transmission
mécanique).
Cette page regroupe également, dans un cadre jaune, tous les paramètres importants aux
calculs ainsi que des paramètres informatifs pour l’utilisateur. Par exemple, lorsque la mise
à jour des données de cette feuille est terminée, le cadre jaune affiche la puissance
maximale observée sur le profil, le couple ainsi que l’énergie consommée par le moteur au
cours du profil.
Cette feuille permet de présenter l’information sous forme de graphiques. On montre
notamment la force motrice en fonction de la vitesse du véhicule. Ce graphique est utile
pour visualiser dans quel contexte le moteur est appelé à fournir le plus de couple sur le
profil. En lien avec le couple, on présente également la puissance motrice en fonction de la
vitesse. Ce graphique permet notamment d’observer l’effet de la vitesse (sans considérer
l’effet de l’accélération) sur la puissance motrice. On observe notamment une tendance à
l’augmentation de la puissance à mesure que la vitesse évolue sur le graphique. Finalement,
on montre la puissance instantanée et l’énergie instantanée dans le temps. Le bouton
Rafraîchir graphiques permet de mettre à jour les données des graphiques présentés.
Le tableau 13 montre un extrait des données affichées dans la feuille « Caractéristiques
selon cycle ».
TABLEAU 12 : EXTRAIT DES DONNÉES AFFICHÉES DANS LA FEUILLE « MASSE CHARGE VARIABLE ».
110
3.4.4 La feuille « Caractéristiques thermiques »
Cette feuille est utilisée lorsque les pertes thermiques sont considérées lors de la simulation.
On utilise cette section de l’outil lorsqu’on veut étudier l’effet du chauffage de l’habitacle
sur l’autonomie du véhicule. En supposant que l’énergie de chauffage est prise à même la
source d’énergie du véhicule, cette section peut avoir un effet considérable sur l’autonomie
du véhicule surtout en climat hivernal. Cette feuille présente la puissance thermique ainsi
que l’énergie thermique à fournir par le véhicule pour climatiser l’habitacle. On présente
d’abord dans un cadre jaune, les principales données tirées de la « Page Principale » qui
sont en lien avec les dissipations thermiques. On trouve les températures ambiantes et
extérieures ainsi que la surface extérieure du véhicule, paramètres utilisés lors du calcul de
puissance thermique dissipée à l’extérieur du véhicule.
Le bouton Actualiser permet de mettre à jour les cases de la feuille pour chaque point du
profil choisi. L’outil utilise le modèle thermique de base développé à la section 2.4 pour
calculer les pertes thermiques. Si l’option puissance des passagers (Pth_pass_ON_) est
activée, l’outil déduit la puissance produite par les passagers lors du profil (rappelons que
les passagers agissent comme une chaufferette).
TABLEAU 13 : EXTRAIT DES DONNÉES AFFICHÉES DANS LA FEUILLE « CARACTERISTIQUES SELON CYCLE ».
111
On présente le bilan thermique (en termes de puissance) pour chaque point du profil. Le
bilan correspond à la soustraction entre la puissance produite par les passagers (positif) et la
puissance dissipée à l’extérieur de l’autobus (négatif). À partir du bilan, on détermine
l’énergie thermique à fournir au cours du profil pour maintenir la température de l’habitacle
à la valeur déterminée par le paramètre Tint_de la « Page Principale ».
Le tableau 14 présente un extrait de la feuille de calcul « Caracteristiques thermiques ».
3.4.5 La feuille « Caractéristiques moteur»
Cette feuille est l’une des plus importantes pour répondre aux objectifs de l’outil de
prédimensionnement. En effet, elle permet de fournir les détails concernant le moteur du
véhicule, l’un des deux (2) paramètres dimensionnels visés par l’outil. Lorsque les calculs
des feuilles « Caractéristiques selon cycle » et « Caracteristiques Thermiques » sont
terminés, ceux de la page « Caractéristiques moteur » peuvent être effectués conformément
à l’organigramme présenté à la figure 30. La fonction de cette feuille de calcul est de
déterminer les caractéristiques du moteur de traction en fonction des performances choisies
par l’utilisateur. Un graphique représente ensuite les forces et puissances instantanées
calculées selon le cycle ainsi que les enveloppes de puissance et force de traction du moteur
déterminées en fonction des performances.
Le bouton 1 -> Actualiser déclenche une macro qui récupère les données concernant le
temps, la vitesse du véhicule, la force de traction selon le profil choisi à partir de la feuille
TABLEAU 14 : EXTRAIT DES DONNÉES AFFICHÉES DANS LA FEUILLE « CARACTERISTIQUES THERMIQUES ».
112
de calcul «Caractéristiques selon cycle». La macro permet ensuite le calcul de la
caractéristique force de traction/vitesse et puissance/vitesse du moteur en imposant la force
de traction constante à sa valeur maximale jusqu’à la vitesse de base puis décroissant de
manière hyperbolique après. Similairement, la puissance de traction est calculée de manière
à varier linéairement avec la vitesse jusqu’à la vitesse de base du moteur puis établie à sa
valeur maximale (déterminée dans la feuille « Caractéristiques selon cycle ») après.
Le bouton 2 -> Calcul de l’accélération permet l’évaluation de la vitesse du véhicule après
le temps d’accélération défini par l’utilisateur. Ce calcul permet de vérifier si les
caractéristiques du moteur déterminées selon le profil dans la feuille de calcul précédente
suffisent à satisfaire les critères d’accélération désirés. Dans le cas contraire, le couple du
moteur au démarrage (i.e. la force de traction max. du moteur) va devoir être augmenté. La
vitesse atteinte au temps d’accélération est déterminée selon la méthode présentée en 2.3.1.
Le bouton 3 -> Correction caractéristique si accélération et vitesse max. en côte non
satisfaisantes permet de modifier les caractéristiques du moteur pour que celles-ci
satisfassent les performances d’accélération et de tenue de route en côte définies en
variables d’entrées. Les organigrammes de la figure 31 décrivent respectivement le
fonctionnement des macros déclenchées lorsque les boutons sont activés.
Le tableau 15 montre un extrait de la feuille « Caractéristiques moteur ».
3.4.6 La feuille « Cycles de conduite »
Cette feuille de calcul ne contient aucune donnée relative au prédimensionnement du
moteur et de la source. Il s’agit simplement d’une page dans laquelle sont contenues les
données relatives aux cycles de conduite (temps, vitesse, accélération de chaque cycle). Ces
valeurs peuvent être obtenues en consultant le site web de DieselNet (www.dieselnet.com).
Chaque feuille d’intérêt a été présentée sommairement dans le cadre de ce chapitre. Il est
désormais temps d’exploiter ce logiciel, mais avant d’aller plus loin, certaines hypothèses
simplificatrices employées pour concevoir l’outil doivent être expliquées.
113
Bouton 1
Bouton 2
Bouton 3
FIGURE 31 : ORGANIGRAMMES REPRÉSENTANT LES OPÉRATIONS EFFECTUÉES PAR L’OUTIL LORS DE L’ACTIVATION
DES BOUTONS DE LA FEUILLE « CARACTÉRISTIQUES MOTEUR ».
114
3.5 Hypothèses et simplifications
Pour simplifier la modélisation et accélérer le temps de calcul de l’outil, certaines
hypothèses et simplifications ont été employées lors de la conception de l’outil de
prédimensionnement. Le choix des hypothèses et des simplifications a été effectué de sorte
qu’il y ait un bon compromis entre précision des résultats et complexité du modèle. En
effet, il est important de rappeler au lecteur qu’il s’agit d’un outil ayant pour objectif de
donner un ordre de grandeur au dimensionnement du moteur et de la source d’un autobus et
non de donner une indication très précise quant aux caractéristiques que doivent avoir le
moteur et la source d’un autobus. Ainsi, au cours de l’élaboration de cet outil, ces
hypothèses et simplifications ont été utilisées :
On ne climatise pas l’habitacle en été. En effet, on ne considère pas l’impact de
l’air climatisé sur le dimensionnement du DSE dans cet outil. Généralement, les
étés québécois sont tempérés et seulement quelques canicules peuvent être
observées avec des températures dépassant les 30 °C.
TABLEAU 15 : EXTRAIT DES DONNÉES AFFICHÉES DANS LA FEUILLE « CARACTÉRISTIQUES SOURCES».
115
Le système de traction est considéré comme un système à rendement fixe. En
général, la puissance mécanique transmise du moteur aux roues est soumise à un
rendement de conversion qui varie en fonction de la vitesse de révolution du
moteur. Cependant, dans le contexte de cet outil, un moteur à traction électrique est
employé et seule une transmission fixe (incluant le différentiel) est utilisée pour
transmettre la puissance mécanique aux roues. On considère que cette transmission
a un rendement fixe pour toute la plage de vitesse de révolution du moteur. Ainsi,
ηg=constante.
L’électronique de puissance pour adapter les sources d’un DSE hybride n’est
pas considérée dans les simulations. En effet, pour gérer intelligemment la
puissance électrique provenant des deux (2) sources (batteries + SC) d’énergie, on
utilise généralement un dispositif d’électronique de puissance qui fait le pont entre
les deux sources d’énergie et le système de distribution de la puissance au moteur.
En général, ce dispositif est contraint à des pertes joules ce qui lui confère un
rendement non unitaire. Dans le cadre de cet ouvrage, on suppose que la
transmission de la puissance des sources vers le système de transmission mécanique
est toujours la même. On utilise un coefficient de rendement fixe, peu importe la
puissance exigée par le moteur (incluant la conversion électrochimique et la
conversion électrique/mécanique de la puissance motrice). Ainsi, le rendement du
système de traction ηt est constant.
État de charge des supercapacités constant. Les supercapacités sont considérées
constamment chargées et aptes à fournir la puissance nécessaire et ce peu importe la
durée de la pointe de puissance exigée par le profil de conduite. Autrement dit, les
SC ont aucune limite énergétique. Seule est limitée la puissance qui peut en sortir.
Le modèle thermique est simplifié. Seules les pertes par conduction et les pertes
métaboliques sont considérées dans le calcul. Les pertes par ventilation sont
traduites par le facteur vent et les pertes par infiltration sont ignorées.
La température de confort à l’intérieur de l’habitacle est de 15°C. Il s’agit de la
température moyenne jugée confortable par le Centre National du Transport Avancé
pour réguler le système de climatisation du Microbus lors de son adaptation au
climat hivernal québécois. Une chaufferette de 23 kW max a été installée à son bord
116
pour assurer le maintien de cette température. En conséquence, lors des simulations
en climat hivernal, la température de l’habitacle sera fixée à 15 °C.
Les batteries sont utilisées en mode de décharge profonde. On suppose que toute
l’énergie disponible dans les batteries est utilisée pour déterminer l’autonomie du
véhicule (en anglais, on parle de 100% Depth-of-Discharge ou DoD). En effet, dans
le cadre de ce travail, on ne tient pas compte du nombre de cycles auxquelles sont
soumises les batteries au cours de leur vie utile. En général, moins une décharge est
profonde (DoD = 50% par exemple) pour une technologie de batterie donnée, plus
la durée de vie de celle-ci sera élevée (nombre de cycles de décharge/recharge
élevé).
L’impact du volume du DSE n’est pas considéré. En effet, on suppose que la
perte de quelques places assises dans l’autobus, en raison du volume élevé du DSE,
n’entraîne pas de pertes de revenus conséquentes pour un réseau de transport lors de
la mise en service continu de l’autobus.
La charge des systèmes auxiliaires de l’autobus n’est pas prise en compte dans
le bilan énergétique du véhicule lors des simulations. La charge électrique du
système d’ouverture des portes et des lumières est considérée négligeable en
comparaison avec l’énergie consommée par le moteur et le système de chauffage
(lorsque compris dans le dimensionnement du DSE) lors d’une simulation.
On considère un parcours de pente nulle lors des simulations. Le critère de
performance de tenue de route en côte n’est pas considéré dans ce travail.
Ces hypothèses et simplifications auront l’avantage d’alléger le modèle mathématique et
d’accélérer le temps de calcul de l’outil pour chaque section concernée. Bien entendu,
d’autres simplifications ont été utilisées dans l’outil, mais celles-ci sont les plus
importantes.
Dans les sections précédentes, l’outil de pré dimensionnement développé a été présenté
sommairement et les hypothèses simplificatrices ont été expliquées afin d’éviter une
certaine confusion chez le lecteur. Il est maintenant possible d’exploiter le potentiel de
l’outil, mais avant, il est essentiel de valider son fonctionnement afin de s’assurer de la
117
crédibilité des résultats obtenus lors des simulations. Cette validation sera décrite dans la
section suivante.
NOTA BENE : La précision des valeurs affichées dans les tableaux 12 à 15 n’est pas
représentative de la précision fournie par l’outil de modélisation. Le nombre de chiffres
significatifs après la virgule ne doit donc pas être considéré pour évaluer la précision des
résultats de simulation de l’outil.
3.6 Validation
L’outil a été développé pour orienter le dimensionnement des autobus de transports urbains.
Il est nécessaire, avant de produire des simulations et d’analyser leurs résultats, d’étudier la
validité de l’outil. Pour y arriver, on compare les résultats obtenus lors de la simulation
d’un modèle de véhicule dans l’outil avec les caractéristiques réelles du véhicule. Grâce à
la complicité du Centre National du Transport Avancé (CNTA), plusieurs données
concernant le modèle de l’Écolobus (figure 33) de la ville de Québec sont accessibles sur le
site web de la compagnie TechnoBus [38] ainsi que dans le manuel du conducteur [8].
L’étude de validité se basera en grande partie sur ce modèle. Pour montrer la versatilité de
l’outil, on validera également l’outil à l’aide d’un autre modèle de véhicule électrique
largement documenté dans le livre « Electric Vehicle Technology Explained » de Larminie,
J. et al. [39] : la EV1 (figure 33) de General Motors.
À partir des grandeurs relatives au véhicule (masse, surface frontale du véhicule, etc.) ainsi
que de ses performances réelles (vitesse max, accélération), les simulations permettront de
déterminer les caractéristiques du moteur électrique (puissance max, couple max) et du
dispositif de stockage énergétique pour cette application. La comparaison de ces paramètres
aux caractéristiques du moteur et de la source réellement utilisés dans le véhicule nous
permettra de conclure à la validité de l’outil.
3.6.1 Caractéristiques techniques de l’Écolobus
Ce modèle a fait l’objet d’une analyse assez complète dans la section 1.2.2. Il est cependant
utile de rappeler les caractéristiques de ce véhicule. Il s’agit d’un microbus pouvant avoir à
son bord 21 personnes L’Écolobus est basé sur le modèle Gulliver de la compagnie
118
FIGURE 32: VÉHICULE CHOISI POUR LA VALIDATION: ÉCOLOBUS (ADAPTE DU GULLIVER DE TECHNOBUS) [8]
FIGURE 33: VÉHICULE SUPPLÉMENTAIRE POUR VALIDER L'OUTIL: LA EV1 DE GENERAL MOTORS [39]
italienne TechnoBus [38]. Il a été adapté pour pouvoir fonctionner en climat hivernal et
pour avoir une autonomie de plus de 100 km. Cet autobus a une vitesse maximale de 33
km/h et peut évoluer sur des routes dont la pente peut atteindre plus de 8°. Les tableaux 16
à 18 présentent respectivement les principales caractéristiques du véhicule, ses
performances et les caractéristiques de son moteur. Ces paramètres seront utilisés pour
effectuer la simulation et serviront de base de référence pour la validation. L’autre véhicule
utilisé pour la validation du modèle est la célèbre EV1 de General Motors malheureusement
défunte.
3.6.2 Caractéristiques techniques de la EV1 de General Motors
119
Caractéristique Valeur
Masse du véhicule 2905 kg
Masse des batteries 730 kg
Type de batteries Zebra (NiNaCl2)
Capacité des batteries 71 kWh
Coefficient de résistance au roulement 0.009
Coefficient de résistance aérodynamique 0.7
Surface frontale du véhicule 5.8 m2
Rapport de multiplication entre l’arbre moteur et l’arbre de la roue 12.54
Rayon de la roue 0.36 m
Facteur de récupération d’énergie (Frein régénératif) 0.5
TABLEAU 16: CARACTÉRISTIQUES PRINCIPALES DE L'ÉCOLOBUS
Performance Valeur
Vitesse maximale du véhicule (limite électronique) 33 km/h
Temps d’accélération 0 à 35 km/h 10 secondes
Tenue de route en côte 7.5 ° (13%)
Autonomie réputée du véhicule 100 km
TABLEAU 17: PERFORMANCES PRINCIPALES DE L'ÉCOLOBUS
Caractéristique du moteur Valeur
Type de moteur DC (Exc. Série)
Puissance maximale du moteur 27.2 kW
Vitesse nominale du moteur 1890 rpm
Couple nominal (@ vitesse nominale) 140 Nm
TABLEAU 18: CARACTÉRISTIQUES DU MOTEUR DE L'ÉCOLOBUS
Ce véhicule électrique a été fabriqué par General Motors à la fin des années 90. Ce fut la
première automobile tout électrique fabriquée par le constructeur américain. General
Motors n’a jamais commercialisé cette automobile, mais le véhicule fut disponible à la
location. 650 EV1 ont été produites en 1997, utilisant des batteries de type Acide-Plomb.
En 1999, GM a produit une version utilisant alors des batteries à base de Nickel Metal
Hydride (NiMH), fabriquée à 465 unités. Bien que peu nombreuses sur le marché
américain, ces voitures du futur à l’époque ont considérablement marqué l’opinion
publique quant à la technologie des voitures électriques. C’est pour cette raison que cette
voiture a été largement documentée et étudiée. Malheureusement, il n’existe aucun modèle
120
Caractéristique Valeur
Masse du véhicule 800 kg
Masse des batteries 600 kg
Type de batteries Acide-Plomb
Coefficient de résistance au roulement 0.0048
Coefficient de résistance aérodynamique 0.19
Surface frontale du véhicule 1.8 m2
Rapport de multiplication entre l’arbre moteur et l’arbre de la roue 11
Rayon de la roue 0.3 m
Facteur de récupération d’énergie (Frein régénératif) 0 (pas de récup.)
TABLEAU 19: CARACTÉRISTIQUES PRINCIPALES DE LA EV1 DE GM
Performance Valeur
Vitesse maximale du véhicule (limite électronique) 130 km/h
Temps d’accélération 0 à 100 km/h 9 secondes
Tenue de route en côte N.D.
Autonomie réputée du véhicule (varie en fonction du profil choisi) 120 à 160 km
TABLEAU 20: PERFORMANCES PRINCIPALES DE LA EV1 DE GM
Caractéristique du moteur Valeur
Type de moteur MAS 3Φ
Pour une vit. du véhicule < 71,3 km/h, le couple T est maximal à 140 Nm
Pour une vit. du véhicule > 71,3 km/h, la puissance est maximale à 102 kW
Vitesse de rotation maximale du moteur 12000 rpm
Vitesse de base du moteur 6943 rpm
TABLEAU 21: CARACTÉRISTIQUES DU MOTEUR DE LA EV1 DE GM
fonctionnel de la EV1 aujourd’hui, GM les ayant tous ou presque retirés du marché.
Quoi qu'il en soit, ce véhicule offre une belle opportunité de mettre à l’épreuve l’outil de
dimensionnement développé. Les tableaux 19 à 21 présentent respectivement les
principales caractéristiques du véhicule, ses performances et les caractéristiques de son
moteur. Le moteur de la EV1 est une machine asynchrone triphasée (MAS).
3.6.3 Configuration de l’outil pour les simulations
La « Page Principale » de l’outil permet de configurer le logiciel à partir des données
121
exposées précédemment. Bien qu’il y ait beaucoup de variables disponibles, plusieurs
paramètres doivent être choisis sans qu’il y ait d’information à leur sujet. Pour arriver à
faire un choix, les ouvrages les ouvrages de Chan, C.C. [7] et Larminie, J. et al. [39] ont été
d’une grande utilité. Ainsi, pour les deux (2) véhicules choisis pour la validation (Écolobus
et EV1), les différents paramètres de simulation sont présentés dans les tableaux 22 et 23.
3.6.3.1 Détails de configuration de l’Écolobus (tableau 22)
L’outil permet d’établir certaines tolérances lors des estimations des paramètres afin
d’assurer un fonctionnement dans toutes les circonstances. Ainsi, la tolérance sur la force
de traction de 8% énoncée permet à l’outil de majorer la force de traction du moteur de 8%
par rapport à la force maximale observée sur le profil de conduite. Ainsi, on se donne une
marge de manœuvre pour dimensionner le moteur afin que chaque pointe de puissance
demandée puisse être délivrée par le moteur. Lors des essais, on suppose que la pente est
nulle. En réalité, l’Écolobus est mis en opération dans un environnement où il existe de
nombreuses pentes. Ce choix risque d’avoir une influence sur l’analyse des résultats lors de
la comparaison entre simulation et réalité. Quoi qu'il en soit, on impose le fait que
l’Écolobus doive être en mesure de grimper des côtes de pente de 7° (Variable
Pcotealpha_).
On sait que l’Écolobus réchauffe son habitacle à partir d’un système de chauffage
indépendant des batteries. Ainsi, les pertes thermiques ne sont pas considérées par l’outil.
La masse de la charge de 1575 kg est basée sur la capacité de l’Écolobus de 21 passagers
(incluant le chauffeur). Chaque passager est réputé avoir une masse de 75 kg. N’ayant
aucune information sur le ratio vitesse de base/vitesse maximale du microbus, on active le
contrôle d’optimisation de la caractéristique Couple/Vitesse qui permet de trouver le bon
ratio en fonction des paramètres disponibles lors de la simulation. Ici, on débute avec une
valeur arbitraire de 0.58. Le profil de conduite choisi pour cette simulation est celui de
l’Écolobus (figure 35C).
122
TABLEAU 22 : PARAMÈTRES CHOISIS POUR LA SIMULATION DU MICROBUS
123
TABLEAU 23 : PARAMÈTRES CHOISIS POUR LA SIMULATION DE LA EV1 DE GM
124
3.6.3.2
3.6.3.3 Détails de configuration de la EV1 (tableau 23)
Nous pouvons constater que la vitesse maximale du véhicule en simulation n’est pas la
même que celle présentée dans le tableau 21. À partir du rayon de la roue, de la vitesse
maximale du moteur ainsi que du rapport de multiplication, nous avons convenu d’une
vitesse maximale de 124 km/h. Nous considérons la valeur renseignée dans le tableau 21
comme une valeur arrondie.
Une masse de charge de 140 kg a été choisie pour ces essais. Elle correspond à la charge
nominale utilisée pour l’essai d’accélération. Nous avons estimé le rendement du système
de traction à 80 % sans pour autant avoir d’autres renseignements à ce sujet. Le rendement
du système de transmission a été estimé à 0,95, tel que prescrit par Larminie, J. et al. [39].
Les paramètres permettant de calculer la force avant dérapage des roues ne sont pas connus
pour cette simulation (hg_, L_, Lb_ et mhu_). Nous n’en tiendrons donc pas compte dans
nos calculs. Le profil de conduite choisi pour cette simulation est le profil urbain FTP 75
(figure 34). Ce choix est arbitraire et influencera particulièrement l’autonomie du véhicule.
125
3.6.4 Résultats de simulations et comparaison
Les résultats obtenus de la simulation de l’Écolobus sont présentés dans le tableau 24. À
partir de ces résultats, il est possible d’établir un tableau de comparaison (tableau 26) avec
les paramètres réels quant à la puissance moteur et l’autonomie de l’Écolobus.
FIGURE 34 : PROFIL DE CONDUITE FTP 75 URBAN CHOISI POUR LA SIMULATION DE LA EV1
126
Les résultats sont loin de faire la lumière sur la crédibilité de l’outil. Cependant, il est
important de mettre les choses dans leur contexte. D’abord, examinons les résultats de
puissance. L’outil a déterminé une puissance maximale observée sur le cycle supérieure à la
puissance maximale du moteur réel. La raison pour laquelle il en est ainsi peut être
expliquée par le fait que le CNTA, lors du design du véhicule a considéré que le moteur
pouvait être porté à une puissance supérieure à celle prescrite par le manufacturier du
moteur. En effet, à partir de résultats de l’acquisition des données provenant de la batterie
lors des tests réels effectués sur l’Écolobus (Gracieuseté du CNTA), on a pu constater que
la puissance transmise au moteur par les batteries dépasse nettement la puissance nominale
de 27.2 kW.
TABLEAU 24 : PARAMÈTRES DE SORTIE DE LA SIMULATION DE L’ÉCOLOBUS
127
Le courant sortant de la batterie montre qu’une puissance de 46 kW est produite par la
batterie. D’après les informations provenant du CNTA, le contrôleur du BUS DC de la
batterie peut fournir en continu une puissance de 38 kW. Or, il est important de mentionner
que les batteries fournissent l’énergie aux systèmes auxiliaires de l’Écolobus comme la
servodirection et le système hydraulique servant à la fermeture et l’ouverture des portes.
Cependant, en analysant les données obtenues du système d’acquisition de l’Écolobus, on
remarque une puissance constante d’environ 1.5 kW lorsque l’Écolobus est arrêté ce qui
donne une indication de la consommation des systèmes auxiliaires. Il est évident que même
si les systèmes auxiliaires exigent de la puissance, il reste que la puissance maximale
transmise au moteur est bien en deçà des 27.2 kW proposés par le manufacturier. En fait,
une fois la puissance de 46 kW transmise des batteries au moteur (en considérant un
rendement de transmission de 0.95 et un rendement de traction de 0.8), on retrouve une
TABLEAU 25 : PARAMÈTRES DE SORTIE DE LA SIMULATION DE L’ÉCOLOBUS
128
Caractéristique Véhicule Simulation
Puissance maximale du moteur 27.2 kW 34.4 kW
Couple maximal que doit développer le moteur 140 Nm 325 Nm
Vitesse de base du moteur 1890 rpm 1100 rpm
Vitesse maximale du moteur N.D. 3049 rpm
Autonomie du véhicule (profil de conduite de l’Écolobus) 100 km 195 km
TABLEAU 26 : COMPARAISON DU MODÈLE RÉEL AU MODÈLE SIMULÉ DE L’ÉCOLOBUS
Caractéristique Véhicule Simulation
Puissance maximale du moteur 27.2 kW 34.4 kW
Couple maximal que doit développer le moteur 140 Nm 325 Nm
Vitesse de base du moteur 1890 rpm 1100 rpm
Vitesse maximale du moteur N.D. 3049 rpm
Autonomie du véhicule (profil de conduite de l’Écolobus) 100 km 195 km
TABLEAU 27 : COMPARAISON DU MODÈLE RÉEL AU MODÈLE SIMULÉ DE L’ÉCOLOBUS
puissance motrice maximale observée 35 kW ce qui est près de la puissance observée de 34
kW.
Le couple maximal observé lors de la simulation semble appuyer l’hypothèse proposée
précédemment. En effet, le moteur nécessite beaucoup plus de couple que disponible à
certains moments. Il n’est pas rare que les moteurs soient utilisés dans des régimes où le
couple et la puissance motrice soient beaucoup plus importants qu’indiqué sur les
caractéristiques techniques. Ce genre de stratégie de commande n’apparait qu’un cours
lapse de temps lors des pointes de puissance importantes notamment au cours de
l’accélération du véhicule. Il est en conséquence normal d’obtenir un couple maximal de
325 Nm en simulation.
Quant à la vitesse de base, l’outil a déterminé le ratio vitesse de base/vitesse maximale de
sorte que la caractéristique couple/vitesse soit optimisée. Il est donc normal que les vitesses
de concordent pas.
L’autonomie observée en simulation est environ deux (2) fois plus élevée que l’autonomie
réputée de l’Écolobus à 195 km. Il est possible d’expliquer cette différence par le fait que
lors de la simulation, le véhicule est considéré comme évoluant sur un terrain plat. En
réalité, l’Écolobus évolue sur un territoire muni de nombreuses pentes très abruptes (plus
de 7°). L’influence est notable, car après avoir effectué une simulation en considérant une
pente non nulle sur tout le profil (4° par exemple), l’autonomie de l’Écolobus diminuait à
38 km. Il est donc impossible d’obtenir une comparaison adéquate pour ce paramètre. La
seule façon d’y arriver serait de considérer une valeur de la pente qui varie en fonction du
129
temps sur le profil de conduite. Malheureusement, le CNTA n’a pu produire ces données
pour les fins de cette étude.
Afin de s’assurer de la validité de l’outil, le modèle EV1 a également été comparé. Les
résultats obtenus de la simulation sont présentés dans le tableau 29. À partir de ces
résultats, il est possible d’établir un tableau de comparaison (tableau 31) avec les
paramètres réels quant à la puissance motrice et l’autonomie de la EV1 de GM.
Nous pouvons observer que les caractéristiques du moteur et des batteries obtenues avec
notre outil de prédimensionnement sont sensiblement identiques à celles du véhicule réel.
Avec les mêmes caractéristiques (masses, facteurs de résistance, etc.) et pour les mêmes
performances (accélération, vitesse max., etc.) la puissance du moteur déterminée par
l’outil de dimensionnement est de 112 kW lorsque celle développée par le moteur du
TABLEAU 28 : PARAMÈTRES DE SORTIE DE LA SIMULATION DE LA EV1
130
véhicule réel est de 102 kW. Le couple développé par le moteur du véhicule est de 140 Nm
quand celui du moteur déterminé par simulation est de 153 Nm. Nous attribuons les
différences observées aux imprécisions liées à l’estimation de certains paramètres comme
le rendement de la chaîne de traction (moteur + convertisseur).
Nous constatons également que l’autonomie du véhicule déterminée à l’aide de l’outil de
dimensionnement se trouve dans la plage de distances fournie par le constructeur. Pour une
même masse de batteries embarquées et pour un type de batteries semblables, l’outil de
dimensionnement estime l’autonomie du véhicule à 149 km sur un cycle urbain (FTP
urban). Une simulation similaire réalisée sur cycle autoroutier (FTP highway) estime
l’autonomie du véhicule à 145 km, ce qui entre également dans la plage de distances
renseignée par le constructeur.
131
Caractéristique Véhicule Simulation
Puissance maximale du moteur 102 kW 112 kW
Couple maximal que doit développer le moteur 140 Nm 153 Nm
Vitesse de base du moteur 6943 rpm 6995 rpm
Vitesse maximale du moteur 12 000 rpm 12 050 rpm
Autonomie du véhicule (dépend du profil de conduite) 120 à 160 km 149 km (FTP75)
TABLEAU 30 : COMPARAISON DU MODÈLE RÉEL AU MODÈLE SIMULÉ DE LA EV1 DE GM.
3.6.5 Validation de l’outil
À la suite de l’analyse des résultats de validation, il semble honnête de croire que l’outil est
indiqué pour donner un bon ordre de grandeur quant au dimensionnement d’un véhicule
qu’il s’agisse d’un véhicule conventionnel ou d’un autobus. L’outil est donc adapté pour
permettre une étude approfondie de prédimensionnement d’un autobus de transport urbain
TABLEAU 29 : PARAMÈTRES DE SORTIE DE LA SIMULATION DE LA EV1
132
Caractéristique Véhicule Simulation
Puissance maximale du moteur 102 kW 112 kW
Couple maximal que doit développer le moteur 140 Nm 153 Nm
Vitesse de base du moteur 6943 rpm 6995 rpm
Vitesse maximale du moteur 12 000 rpm 12 050 rpm
Autonomie du véhicule (dépend du profil de conduite) 120 à 160 km 149 km (FTP75)
TABLEAU 31 : COMPARAISON DU MODÈLE RÉEL AU MODÈLE SIMULÉ DE LA EV1 DE GM.
conventionnel exposé à différentes conditions et à différentes missions.
La suite de ce chapitre portera sur une étude dimensionnelle visant à proposer aux
constructeurs d'autobus de transport urbain quelques configurations optimales pouvant
permettre des gains notables au niveau du dimensionnement de la source et du moteur en
visant une autonomie modérée du véhicule.
133
3.7 Étude dimensionnelle
Le travail est principalement orienté sur l’étude de plusieurs scénarios d’utilisation d’un
autobus de transport urbain. Un scénario fait référence à la simulation de l’utilisation d’un
autobus muni d’un dispositif de stockage énergétique particulier sur un profil de conduite
donné. L’autobus est alors exposé à diverses conditions pour simuler différents contextes
d’exploitation de ce dernier. Lors des essais, on peut par exemple simuler un autobus vide
ou avec une masse de charge reflétant la pleine capacité du véhicule. On peut également le
soumettre à des conditions environnementales particulières. On peut simuler l’énergie
nécessaire qu’il devrait fournir pour climatiser son habitacle en hiver si le dispositif de
stockage énergétique (DSE) devait être utilisé à cet effet. Pour chaque simulation, on
sélectionne une configuration particulière du dispositif.
À partir des résultats de la simulation de divers scénarios considérés, il est possible de
déceler certaines pistes de dimensionnement sur la configuration d’un DSE à choisir pour
un scénario donné. L’étude de ce chapitre se focalise exclusivement sur les performances
du véhicule en termes de puissance motrice et d’autonomie.
L’objectif de l’étude de ce chapitre est donc d’arriver à proposer une configuration
optimale qui réponde aux critères de performance d’une application ou d’un scénario
donné. On a vu précédemment (voir section 3.1) que plusieurs études antérieures ont
proposé des configurations de DSE pour des autobus de transport urbain entièrement
électriques. D’autres travaux s’y sont intéressés, mais se sont davantage orientés sur la
présentation technique d’une technologie fonctionnelle pour assurer le succès d’une
mission comme dans l’ouvrage de Chunbo, Z., et al. [33]. Beaucoup de travaux ont été
orientés sur la simulation, l’expérimentation et l’évaluation des performances de différentes
configurations de DSE pour des autobus de transport urbain hybrides comme dans ceux de
Major, J et de Anstrom, J.R., et al. [29, 40]. Cependant, peu d’efforts ont été consacrés au
dimensionnement optimal d’un DSE pour un autobus de transport urbain à propulsion
uniquement électrique évoluant sur un parcours cyclique connu. Cette étude entend combler
ce vide en mettant l’accent sur l’optimisation du DSE pour un scénario donné.
134
Le tableau 32 présente une liste d’exemples de scénarios qui ont été simulés avec l’outil de
prédimensionnement. Chaque scénario est caractérisé par un profil de conduite, un type de
véhicule, un type de batterie et une autonomie donnée. L’impact du climat est également
présenté pour chacun d’entre eux. Chaque caractéristique du scénario influence le
dimensionnement de la puissance motrice du véhicule et du DSE. Le choix de chacun d’eux
est important pour limiter l’étude à des scénarios qui se rattachent davantage à des
véhicules de transport urbain.
Deux types de véhicules ont été envisagés pour les simulations. Il s’agit d’un autobus
standard basé sur le modèle LFS du site web de la compagnie Novabus [41] et du microbus
entièrement électrique Gulliver de la compagnie italienne TechnoBus [38]. Le choix de
l’autobus LFS de Novabus pour l’étude est motivé par le fait que ce véhicule est développé
pour évoluer dans les conditions environnementales nordiques (été, hiver). De plus, ces
véhicules sont produits au Québec et sont massivement présents sur la plupart des sociétés
urbaines de transport. D’ailleurs, une importante étude de performance a été faite sur ce
dernier en septembre 1999 par Guérette, C. et al. [4] pour évaluer les gains en termes
Scénario Véhicule Cycle Climat DSE Autonomie ciblée [km]
1 LFS Novabus Man Bus Estival PbA 10
2 LFS Novabus Man Bus Estival PbA 30
3 LFS Novabus Man Bus Estival PbA 50
4 LFS Novabus Man Bus Estival Li-ion 10
5 LFS Novabus Man Bus Estival Li-ion 30
6 LFS Novabus Man Bus Estival Li-ion 50
7 LFS Novabus Man Bus Hivernal PbA 10
8 LFS Novabus Man Bus Hivernal PbA 30
9 LFS Novabus Man Bus Hivernal PbA 50
10 LFS Novabus Man Bus Hivernal Li-ion 10
11 LFS Novabus Man Bus Hivernal Li-ion 30
12 LFS Novabus Man Bus Hivernal Li-ion 50
…
TABLEAU 32 : EXEMPLES DE SCÉNARIOS UTILISÉS LORS DES SIMULATIONS
135
d’émissions de polluants et de consommation par rapport à son modèle antérieur, le
Classique de Novabus. Le microbus électrique Gulliver de Technobus nommé Écolobus a
été mis en opération sur les routes de la vieille ville de Québec. Cet autobus a été adapté
pour pouvoir fonctionner en hiver comme en été. Il constitue donc un véhicule d’analyse
intéressant.
L’évaluation de l’impact du climat sur le DSE est considérée dans le contexte de l’étude. La
climatisation de l’habitacle en hiver nécessite un apport important d’énergie thermique. La
récupération des pertes thermiques du système de traction n’est pas suffisante pour assurer
le confort de l’habitacle. On a vu qu’une réglementation permet aux véhicules de transport
urbain d’utiliser des carburants fossiles pour assurer la climatisation de l’habitacle lorsque
la température ambiante descend sous les 5°C. Malgré le fait que ces véhicules sont
considérés comme des ZEV, ils émettent néanmoins des émissions polluantes qu’il serait
désirable d’éliminer. L’étude a donc considéré les cas où le DSE fournirait l’énergie
nécessaire pour chauffer l’habitacle et l’impact de cette charge sur le dimensionnement du
dispositif sera évalué.
Le choix du profil de conduite (également appelé cycle de conduite) est probablement la
caractéristique d’une mission qui influence le plus la nature et la masse du DSE du
véhicule. La fréquence des arrêts-départs, les pointes d’accélération, la distance accomplie
sur le cycle ou la vitesse maximale observée sont tous des paramètres qui influencent la
puissance à produire et l’énergie à fournir par un DSE. Le profil de conduite doit être le
plus représentatif possible d’une mission que le véhicule à dimensionner est à même de
faire. Les profils de conduite utilisés par les autobus de transport urbain sont habituellement
caractérisés par des arrêts-départs fréquents et des vitesses propres à la circulation routière
en ville (40 à 50 km/h).
La figure 35 présente les cycles de conduite utilisés pour l’étude avec leur distance
respective. Le profil de conduite FTP 75 Urban (figure 34) présente un mélange de circuits
ville/autoroute que certaines sociétés de transport empruntent pour assurer la commutation
entre deux villes. C’est le cas, par exemple, de la société de transport de Lévis dont les
136
autobus les plus sollicités empruntent chaque jour un parcours similaire à celui présenté par
le profil FTP 75 Urban.
L’étude analyse évidemment l’impact du choix du type de batteries pour le DSE. La masse
du DSE est la principale caractéristique technique influencée par ces choix. Étant donné
que la masse totale du véhicule influence son autonomie et sa puissance motrice, le type de
batteries utilisées pour une application donnée est nécessairement important pour
A)
B)
C)
FIGURE 35: LES CYCLES DE CONDUITE UTILISÉS POUR L’ÉTUDE. A) MANHATTAN BUS CYCLEC B) ORANGE COUNTY
BUS CYCLE C) ECOLOBUS
137
déterminer le choix optimal du DSE.
L’autonomie du véhicule est actuellement le critère de performance qui limite le plus
l’intégration des véhicules électriques sur le marché. Néanmoins, l’avantage des parcours
utilisés par les sociétés de transport provient du fait qu’ils sont cycliques et qu’ils sont
souvent limités à quelques dizaines de km au plus. Dans un contexte où une infrastructure
adéquate d’interchangeabilité des batteries est considérée, il est possible de s’imaginer des
DSE dont les autonomies ne se limiteraient qu’à un multiple de la distance d’un cycle.
L’étude analyse les cas où l’autonomie ciblée est de 10, 30 ou 50 km seulement. L’objectif
est d’arriver à cibler une autonomie qui optimise le DSE selon le parcours ou l’application
choisi. Des simulations seront également conduites pour des autonomies de 100 km.
Pour chaque scénario considéré, on s’intéresse également à l’influence de la masse de la
charge que peut supporter un autobus ainsi qu’à la contribution de l’énergie nécessaire pour
réchauffer l’habitacle en hiver sur la masse du DSE. L’outil développé permet d’activer ou
non la prise en compte de la masse de charge ou l’énergie liée au réchauffement de
l’habitacle sur le dimensionnement du moteur et du DSE. On veut également évaluer le
gain de masse du DSE lorsque le dispositif utilise l’hybridation des sources (batteries +
SC).
3.7.1 Caractéristiques techniques du Novabus LFS (figure 36)
Cet autobus a fait l’objet d’une étude approfondie dans la section 1.2.1. Il est cependant
utile de rappeler les caractéristiques de ce véhicule. Il s’agit d’un autobus conventionnel
pouvant avoir à son bord 80 personnes. Cet autobus a une vitesse maximale d’environ 100
km/h. Les tableaux 29 à 31 présentent respectivement les principales caractéristiques du
véhicule, ses performances et les caractéristiques de son moteur. Ces paramètres seront
utilisés pour effectuer les simulations.
3.7.2 Configuration de l’outil pour les simulations
L’autobus LFS de la compagnie NovaBus n’a pas été adapté pour fonctionner avec une
traction tout électrique. En fait, il n’existe pas de modèle d’autobus tout électrique produit
par la compagnie NovaBus Cependant, il existe suffisamment de données au sujet du LFS
138
(l’étude de Guérette, C. et al. [4] et le site web de NovaBus [41]) à moteur à combustion
pour être en mesure de configurer l’outil et produire des simulations qui donneront une
bonne indication au sujet du dimensionnement de la puissance du moteur électrique et du
DSE de l’autobus. Bien qu’il y ait beaucoup de variables disponibles, plusieurs paramètres
doivent être choisis sans qu’il n’y ait d’information à leur sujet. Pour arriver à faire un
choix, les travaux de Chan, C.C [7] et de Larminie, J. et al. [39] ont été d’une grande utilité.
Ainsi, pour le NovaBus à traction électrique, les différents paramètres de simulation utilisés
sont présentés dans le tableau 36.
Évidemment, les paramètres tels que la masse de batteries, l’autonomie, le choix du cycle
de conduite, la température et d’autres paramètres seront modifiés au cours de l’étude pour
obtenir plusieurs scénarios différents. Cependant, la majorité des paramètres du véhicule et
des paramètres dimensionnels ne change pas pendant l’étude. Les paramètres montrés dans
le tableau 36 sont à titre indicatif seulement. Certains de ces paramètres pourraient être
sujets à changement au cours des simulations.
La masse de la charge de 6000 kg est basée sur la capacité du Novabus de 80 passagers
(incluant le chauffeur). Chaque passager est réputé avoir une masse de 75 kg. N’ayant
aucune information sur le ratio vitesse de base/vitesse maximale du microbus, on active le
contrôle d’optimisation de la caractéristique Couple/Vitesse qui permet de trouver le bon
FIGURE 36: VÉHICULE CHOISI POUR L’ÉTUDE DE DIMENSIONNEMENT DE CE MÉMOIRE : LE NOVABUS LFS [4] [41]
139
Caractéristique Valeur
Masse du véhicule sans batteries et à vide 12 200 kg
Masse des batteries 0 kg
Type de batteries --
Capacité des batteries --
Coefficient de résistance au roulement 0.009
Coefficient de résistance aérodynamique 0.7
Surface frontale du véhicule 8.1 m2
Rapport de multiplication entre l’arbre moteur et l’arbre de la roue N.D.
Rayon de la roue 0.5 m
Facteur de récupération d’énergie (Frein régénératif) --
TABLEAU 33: CARACTERISTIQUES PRINCIPALES DU NOVABUS LFS
Performance Valeur
Vitesse maximale du véhicule 100 km/h
Temps d’accélération 0 à 60 km/h 10 secondes
Tenue de route en côte N.D.
Autonomie réputée du véhicule 1000 km
TABLEAU 34: PERFORMANCES PRINCIPALES DU NOVABUS LFS
Caractéristique du moteur Valeur
Type de moteur ICE
Puissance maximale du moteur 209 kW
Vitesse nominale du moteur N.D.
Couple nominal (@ vitesse nominale) N.D.
TABLEAU 35: CARACTÉRISTIQUES DU MOTEUR DU NOVABUS LFS
ratio en fonction des paramètres disponibles lors de la simulation. Ici, on débute avec une
valeur arbitraire de 0.3.
3.8 Résultats de simulation
L’outil a été utilisé pour simuler des scénarios afin de répondre aux questions suivantes :
Scénario A : Quelle masse de batteries/supercapacités, aurais-je besoin pour que
mon autobus puisse franchir une distance de 10 km, 30 km, 50 km et 100 km avant
140
la recharge ou l’interchangeabilité de la source? L’autobus est vide et le climat est
estival.
Scénario B : Même question qu’au scénario A, mais cette fois, l'autobus est plein.
Scénario C : Même question qu’au scénario A, mais l'autobus est vide et fonctionne
en hiver (à température ambiante de -20°C) et le chauffage provient du DSE.
Scénario D : Même question que le scénario C, mais l'autobus est plein. Chaque
passager émet 75W de puissance de chauffage dans l’air de l’habitacle.
En lien avec chaque scénario, on se questionnera également à savoir si l’hybridation de la
source permettrait d’obtenir des gains sur la masse du dispositif tout en respectant les
critères de performances établis.
Les types de batteries choisies pour l’étude sont les batteries Plomb-Acide (PbA), les
batteries Li-ion et les batteries NiNaCl2. Chacun des scénarios sera évalué en fonction du
choix de la batterie.
Ce choix est justifiable par le fait que les batteries PbA sont les plus abondantes sur le
marché, qu’elles sont à pleine maturité et qu’elles sont peu dispendieuses. Les batteries Li-
Ion, quant à elles, ont été choisies pour l’étude puisqu’elles sont considérées par l’industrie
comme étant les batteries de l’avenir. Ceci est explicable notamment en raison de leur
densité énergétique très élevée, de leur durée de vie relativement bonne et de leur
rendement de conversion électrochimique élevé. Les batteries NiNaCl2 sont également
étudiées puisqu’elles ont été choisies pour subvenir aux besoins en énergie pour l’Écolobus
du réseau de transport de la capitale de la ville de Québec.
Les résultats présentés dans cette section constituent en quelque sorte les réponses aux
questions précédentes. On y présente la masse du dispositif de stockage énergétique (DSE)
obtenue pour chaque simulation correspondant aux divers scénarios présentés
précédemment. On présente également, au cours de l’étude, un tableau présentant la
puissance maximale que doit développer le moteur ainsi que l’autonomie réelle que permet
le DSE sur le profil considéré pour chaque scénario.
141
TABLEAU 36 : PARAMÈTRES CHOISIS POUR LA SIMULATION DU NOVABUS LFS
142
Certains tableaux présentés dans cette section contiennent une liste de simulations
effectuées. Chacune d’entre elles est caractérisée par différentes conditions et correspond à
un scénario précis. Pour différencier chaque simulation dans une Figure, son nom est
composé de plusieurs suffixes qui correspondent aux conditions de l’essai. Le tableau 37
présente la signification de chacun de ces suffixes.
On présente d’abord une série de tableaux présentant la masse du DSE estimée lors des
simulations. On étudie ensuite l’impact de l’hybridation de la source pour vérifier si pour
un scénario donné, cette hybridation permet des gains sur la masse du DSE.
3.8.1 Étude sur la masse du DSE
On a lancé plusieurs simulations en variant pour chacune le type de batterie, l’autonomie
ciblée, la température extérieure et les paramètres de contrôle comme l’activation des pertes
thermiques ou l’hybridation de la source. Pour toutes ces simulations, on a enregistré la
masse totale du dispositif de stockage énergétique (DSE) estimée par l’outil. Les tableaux
34 à 37 présentent les résultats des simulations effectuées avec l’outil. Le tableau 38 montre
la masse totale du DSE et la contribution des SC pour une autonomie de 10 km sur le profil
de conduite de Manhattan. Les trois (3) autres tableaux présentent une comparaison des
résultats (la masse du DSE, la consommation énergétique et la puissance motrice
maximale) obtenus sur deux profils de conduite différents, le Manhattan Bus cycle et Le
Suffixe Indique
Li, Ac ou Na le type de batterie utilisée (Li = Li-Ion; Ac = PbA; Na = NiNaCl2)
10km, 30km, 50km ou 100km l’autonomie ciblée
-20°, 0° ou 15° la température ambiante en °C
Mch que l’autobus est plein
Pth que le DSE fournit l’énergie de chauffage
hyb que l’hybridation du DSE est activée
TABLEAU 37: SIGNIFICATION DES SUFFIXES DES NOMS DE SIMULATIONS PRÉSENTÉES SUR LES FIGURES.
143
Orange County (OC) Bus Cycle.
On a vu que la masse du DSE dépend de deux (2) paramètres dimensionnels du véhicule
soient : l’énergie nécessaire pour parcourir le cycle choisi (autrement dit, l’autonomie) et la
puissance maximale requise pour satisfaire les critères de performances. La puissance
(W/kg) et l’énergie (Wh/kg) spécifiques d’une source jouent un rôle clé sur la fluctuation
de la masse du dispositif pour une application donnée. Conséquemment, le choix du type de
batterie ou l’utilisation de supercapacités peut influencer substantiellement la masse totale
du DSE.
Une batterie Plomb Acide, par exemple, peut fournir 43Wh/kg et développer 285 W/kg
alors qu’une batterie à base de Lithium peut fournir le triple d’énergie et le double en
puissance par kg (150 Wh/kg; 500 w/kg). Cependant, un kilogramme de supercapacités,
dans le cadre de cette étude, ne peut fournir que 3.5 Wh, mais peut produire plus de 14 kW
de puissance. Dans tous les cas, l’utilisation des batteries à base de Li-Ion devrait permettre
des gains sur la masse du DSE. En utilisant l’hybridation de la source, dans certaines
conditions propices, on devrait également obtenir des gains substantiels.
Afin d’alléger la lecture de ce mémoire, on ne présentera qu’une partie de toutes les
simulations produites avec l’outil. L’analyse de ces résultats devrait cependant permettre de
répondre aux interrogations posées précédemment. Seul l’autobus conventionnel est
étudié dans cette section.
144
145
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152
Un point important de l’étude consiste à évaluer l’ordre de grandeur d’un DSE à installer
dans un autobus. On cherche autrement dit à savoir s’il est réaliste de développer un
autobus électrique muni uniquement de batteries comme principale source
d’approvisionnement en énergie. Les simulations effectuées ont été faites dans l’idée de
fournir une réponse à cette interrogation.
Le tableau 42 présente une comparaison des technologies de batteries PbA et Li-ion pour
diverses autonomies ciblées à partir des résultats obtenus des simulations en observant les
cas où le DSE est muni uniquement de batteries. Pour chaque technologie de batterie, on
présente la masse du DSE obtenue, la puissance motrice requise et l’autonomie réelle du
véhicule. Le ratio de la masse de batteries PbA/Li-ion pour une même application est
également présenté de même que le gain de masse obtenu du dispositif. Les données
proviennent des tableaux 34 à 37 et des tableaux 40 à 42 présentés en annexe.
Puissance thermique : OUI; Masse de charge : OUI
En étudiant les résultats exposés au tableau 42, on constate que les pires cas sont
observables en hiver (-20 °C) lorsque l’autobus est plein et lorsque que le DSE fournit
l’énergie de chauffage de l’habitacle. Pour des autonomies ciblées de plus de 30 km, les
batteries PbA semblent mal indiquées pour subvenir aux besoins énergétiques de l’autobus.
En effet, il faudrait installer une masse de batteries PbA de 2.3, 4.0 et 9.5 tonnes métriques
(1t = 1 000 kg) de batteries pour arriver à parcourir avec cet autobus 30, 50 et 100 km
respectivement. Même si le coût des batteries PbA est réputé moins élevé que celui des
batteries Li-ion, le fait de transporter une telle charge additionnelle dans l’autobus se traduit
par une augmentation notable de la puissance motrice (Pmax varie entre 300 kW à 420 kW)
nécessaire, sans compter le volume que cette masse peut représenter dans l’autobus.
Dans un même ordre d’idée, il apparaît peu raisonnable d’opter pour une autonomie de 100
km pour un autobus et ce peut importe le type de batterie choisie pour ce contexte. Dans
tous les cas, la masse du DSE dépasse 2 tonnes, une masse que l’on considère dans cette
étude comme étant surdimensionnée.
153
On remarque clairement que le choix du type de batterie a une grande influence sur la
masse du DSE. En effet, pour une autonomie de 10 km, le gain possible sur la réduction de
la masse de batteries atteint près de 45% en utilisant une technologie à base de Li-ion plutôt
que celle à partir de cellules PbA. Le gain est défini par le ratio de la différence des masses
de batteries sur la masse de batteries PbA. Pour des autonomies de 30 et 50 et 100 km, on
obtient des gains respectifs de 73, 74 et 76%. Autrement dit, en utilisant des batteries Li-ion
M_DSE [kg] Ratio M_DSE PbA/Li Gain [%] P [kW] Autonomie [km] M
asse
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OU
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20°C
) :
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10 km PbA 1 101 1.81 45
282 14.67
Li-ion 610 274 28.75
30 km PbA 2 337 3.67 73
303 30
Li-ion 637 275 30
50 km PbA 4 097 3.81 74
332 50
Li-ion 1 075 282 50
100 km PbA 9 414 4.23 76
420 100
Li-ion 2 226 301 100
Mas
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20°C
) :
NO
N 10 km PbA 1 101
1.80 44 282 27.37
Li-ion 610 274 54
30 km PbA 1 215 1.99 50
284 30
Li-ion 610 274 54
50 km PbA 2 129 3.49 71
299 50
Li-ion 610 274 54
100 km PbA 4 892 4.23 76
345 100
Li-ion 1157 283 100
Mas
se c
har
ge
: N
ON
Pu
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nce
th
erm
iqu
e (-
20°C
) :
NO
N 10 km PbA 857
1.81 45 219 27
Li-ion 474 213 54
30 km PbA 948 2.00 50
221 30
Li-ion 474 213 54
50 km PbA 1663 3.51 72
233 50
Li-ion 474 213 54
100 km PbA 3820 4.23 76
269 100
Li-ion 903 221 100
TABLEAU 42 : COMPARAISON DES RÉSULTATS DE MODÉLISATION POUR UN DSE MUNI UNIQUEMENT DE BATTERIES
ACIDE PLOMB OU DE LITHIUM-ION
154
au lieu de cellules PbA pour une autonomie de 30, 50 et 100 km, on pourrait diminuer de
près de 4 fois la masse du DSE!
Pour de faibles autonomies ciblées, on constate que la puissance motrice à fournir par les
batteries constitue la principale contrainte dimensionnelle au DSE. Selon ce qu’on observe
dans le tableau 42, il ne semble pas possible d’estimer une autonomie de 10 km et ce peu
importe la technologie de batterie utilisée. Rappelons qu’il est important de discerner
autonomie ciblée et autonomie estimée. L’autonomie ciblée est un paramètre dimensionnel
que l’on impose à l’outil lors d’une simulation. On informe l’outil que l’on désire obtenir le
dimensionnement d’un DSE dont l’autonomie estimée est au moins égale ou supérieure à
l’autonomie ciblée. Dans le cas présenté ici, la puissance motrice dicte le dimensionnement
du DSE. Dans ce contexte, on gonfle la capacité du DSE afin de subvenir aux besoins en
puissance au cours du profil, ce qui influence à la hausse l’autonomie estimée.
Dans tous les autres cas, l’autonomie estimée devient le paramètre dimensionnel critique à
partir d’une autonomie ciblée de 30km.
La puissance motrice maximale à fournir par les batteries est directement proportionnelle à
la masse totale du véhicule. Plus la masse du DSE augmente, plus celle du véhicule
augmentera et plus la puissance requise augmentera en conséquence. Conséquemment, les
puissances à fournir par le DSE, lorsque la technologie PbA est utilisée, sont toujours
supérieures à celles obtenues par les DSE munis de batteries Li-ion pour chaque cas. Pour
le pire cas exposé dans le tableau 42 (100 km), on observe une différence de puissance à
fournir de presque 120 kW.
Puissance thermique : NON; Masse de charge : OUI
En observant les résultats de la deuxième section du tableau 42, on constate que les masses
estimées sont beaucoup moins élevées que dans le cas précédent où l’on considérait
l’énergie thermique dans le bilan énergétique de la mission lors des calculs.
En effet, il semble plus intéressant de considérer un dimensionnement d’un autobus en
supposant un système de chauffage de l’habitacle indépendant de la source d’énergie
électrique. Pour des autonomies ciblées de 30, 50 et 100 km, on constate que la masse du
155
DSE diminue de moitié (50%) en ignorant l’énergie thermique dans le calcul de
l’autonomie.
On remarque encore clairement que le choix du type de batterie a une grande influence sur
la masse du DSE. On observe, pour des autonomies de 10 km, 30, 50 et 100 k, que les gains
possibles sur la réduction de la masse de batteries atteignent respectivement 44, 50, 71 et
76% en utilisant une technologie à base de Li-ion plutôt que celle à partir de cellules PbA.
Le contexte étudié ici, où l’on ignore l’influence de l’énergie de chauffage dans le bilan
énergétique, constitue celui qui est le plus fréquemment retrouvé dans les réseaux de
transports urbains. On a vu qu’une réglementation américaine permet à une société de
considérer son véhicule comme un ZEV (Zero Emission Vehicle) lorsque la température
extérieure est sous la barre de 5°C même si on utilise des carburants fossiles pour assurer le
chauffage de l’habitacle.
Dans ce contexte, il apparaît intéressant de mentionner que pour toute autonomie se situant
entre 10 et 100 km, les batteries Li-ion semblent en mesure de fournir l’énergie nécessaire
sans trop surdimensionner le DSE. Par contre, à partir de 50 km, les DSE munis de batteries
PbA deviennent surdimensionnés. En effet, les masses de DSE dépassent alors 2.1 et 4.8
tonnes pour pouvoir parcourir 50 et 100 km.
Puissance thermique : NON; Masse de charge : NON
Les cas où la masse de charge n’est pas considérée dans le dimensionnement du véhicule
montrent seulement que l’impact de la masse des passagers est non négligeable lors du
dimensionnement du véhicule. En effet, dans tous les cas, l’effet des passagers sur la masse
du DSE se chiffre à environ 22% d’augmentation.
Dans chacun des trois (3) contextes énoncés, soient : celui avec puissance thermique et
masse de charge; celui sans puissance thermique, mais avec masse de charge; celui sans
puissance thermique et sans masse de charge, on remarque que dans certains cas,
l’autonomie estimée dépasse l’autonomie ciblée. En effet, dans ces cas-là, c’est la
puissance motrice qui devient la contrainte de dimensionnement et non l’autonomie.
156
L’utilisation d’une source hybride devrait permettre d’obtenir des gains supplémentaires
sur le dimensionnement du DSE. La prochaine section s’y attarde.
3.8.2 Influence de l’hybridation sur la masse du dispositif de stockage
énergétique :
Pour les simulations où la technologie Li-ion est employée, il semble que la puissance
maximale à fournir par les batteries soit la contrainte majeure au dimensionnement du DSE
sauf lorsque l’on considère l’énergie thermique dans le bilan énergétique. Ces cas peuvent
être illustrés en se référant au graphique de la Figure 28 28B de la section 2.5.3. Ils
correspondent au point du graphique où le ratio de batteries Rb est égal à 100%. À ce point,
c’est la courbe de puissance qui est la seule contrainte au dimensionnement du dispositif. Il
est rarement possible d’atteindre l’autonomie ciblée. En général, l’autonomie réelle obtenue
est supérieure à la cible. L’utilisation d’une source électrique avec une très grande densité
de puissance peut s’avérer utile dans ces cas pour atteindre les cibles.
Les résultats de simulations du tableau 43 démontrent que l’utilisation de supercapacités
pour supporter les batteries permet d’obtenir, dans certains cas, des gains de masse
considérables. Les paramètres exposés dans ce tableau sont semblables à ceux du tableau
42. La masse des SC, la masse des batteries et le gain de masse obtenu de l’hybridation de
la source d’énergie du véhicule sont également présentés. Ce dernier est défini par le
quotient de la différence des masses du dispositif avec et sans hybridation sur la masse du
dispositif sans hybridation.
Les cas où la puissance à fournir par les batteries constitue la principale contrainte sont
avantagés par l’hybridation du dispositif. Ces cas sont généralement observables pour de
faibles cibles d’autonomie. Le gain de masse maximal obtenu de l’hybridation (Gain hyb.)
est de 79% pour une source hybride avec des batteries Li-ion lorsque la charge thermique
est assurée par un système de chauffage de bord indépendant du DSE. C’est dire qu’en
théorie, l’hybridation permettrait dans ce cas de diminuer la masse de batteries par un
facteur de 5!
157
Quoi qu'il en soit, l’hybridation de la source permet des gains notables surtout pour de
faibles autonomies ciblées. Pour des autonomies plus importantes (50 km et plus),
l’hybridation des sources ne permet pas de réduction suffisamment élevée pour justifier son
implantation.
L’hybridation du dispositif semble également avantager la technologie Li-ion lorsqu’on
évalue le gain de masse obtenu de l’hybridation pour de faibles cibles d’autonomie. En
effet, en considérant le cas où l’énergie de chauffage est incluse dans le bilan énergétique,
l’utilisation de batteries PbA avec des SC permet un gain de 32% pour une autonomie de
10 km, alors qu’il est de 63% lorsque les batteries sont à base de lithium. À 30 km, sans la
charge thermique, il est encore possible d’obtenir un gain de 44% avec les batteries Li-ion
alors qu’il est nul pour les batteries PbA.
Pour montrer l’impact de l’utilisation des batteries Li-Ion et de l’hybridation de la source
comparativement aux batteries PbA, il suffit d’examiner l’exemple suivant. Si en ne
considérant pas la charge thermique et en ciblant une autonomie de 10 km, on comparait un
véhicule muni exclusivement de batteries PbA avec un autre muni d’un DSE hybride Li-
ion/SC, il serait possible de diminuer la masse du DSE de près de 1000 kg (soit près de 9
fois moins!) tout en répondant aux mêmes critères de performances établis.
M_SC [kg] M_DSE Hyb [kg] M_DSE [kg] Gain Hyb [%] P Hyb [kW]
Masse charge : OUI
Puissance thermique (-20°C) : OUI
10 km PbA 6.84 749 1 101 32 277
Li-ion 13.79 223 610 63 267
Masse charge : OUI
Puissance thermique (-20°C) : NON
10 km PbA 13.65 399 1 101 64 271
Li-ion 17.26 126 610 79 266
30 km Li-ion 9.61 340 610 44 270
50 km Li-ion 1.75 561 610 8 274
Masse charge : NON
Puissance thermique (-20°C) : NON
10 km PbA 10.60 311 857 64 211
Li-ion 13.42 98 474 79 207
30 km Li-ion 7.44 266 474 44 210
50 km Li-ion 1.31 438 474 8 213
TABLEAU 43 : ILLUSTRATION DE L’EFFET DE L’HYBRIDATION DE LA SOURCE (BATTERIES + SC) SUR LA MASSE TOTALE
DU DSE
158
L’hybridation des sources d’énergie permet non seulement de diminuer la masse du DSE
nécessaire pour une application, mais aussi de cibler avec une très grande précision
l’autonomie voulue. Pour toutes les simulations, on obtient exactement l’autonomie ciblée
lorsque l’hybridation des sources est activée.
Rappelons que ces résultats de simulation sont à titre indicatif uniquement. En effet, on a
choisi de développer un outil de modélisation prenant en considération un nombre
important de simplifications ce qui implique une certaine limite quant à la précision des
résultats obtenus. Rappelons également que l’objectif de l’outil est de fournir un ordre de
grandeur quant au dimensionnement du DSE.
3.8.3 Discussion sur le choix du profil de conduite
Il apparait clair que le choix du profil de conduite influence le dimensionnement d’un
autobus, et ce, de façon notable. Les tableaux 35 à 37 présentent une comparaison des
résultats de simulation (Masse DSE, Pmax, Consommation énergétique) sur les profils de
conduite de Manhattan et du Orange County Bus Cycle (OC Bus Cycle) pour une
autonomie de 50 km. Étant donné que le profil d’accélération et de décélération, la vitesse
maximale atteinte et la distance parcourue ne sont pas les mêmes d’un profil à l’autre, il est
normal de voir autant d’écart entre les résultats de simulations.
La principale différence provient de la puissance maximale observée sur le profil (tableau
41). Le profil de conduite de Manhattan (figure 35) est caractérisé par des accélérations
plus importantes que celui du OC Bus cycle. Cela reflète le caractère un peu plus agressif
du conducteur qui suit le profil de Manhattan. Ceci se traduit par des pointes de puissance
importantes lors de la fin des périodes d’accélération. La source est alors appelée à fournir
plus de puissance et dans certains cas, on doit dimensionner à la hausse le DSE. La
puissance moyenne est généralement plus élevée et cela affecte la consommation
énergétique de l’autobus.
Le choix du profil de conduite lors du dimensionnement devrait donc se refléter sur le type
de parcours habituellement emprunté par l’autobus à designer. Par exemple, lors de leur
étude dimensionnelle, les auteurs Gao, S. et al. [36] se sont basés sur le profil de conduite
159
de Beijing line 121, correspondant au type de parcours où leur autobus devrait
habituellement évolué.
3.8.4 Discussion sur la puissance motrice
La puissance motrice dépend du profil de conduite emprunté par l’autobus ou plus
précisément, du profil d’accélération et de la vitesse maximale atteinte par l’autobus sur ce
profil. La puissance motrice dépend également de la masse totale du véhicule.
La puissance motrice observée sur le profil de conduite de OC Bus Cycle est 13 à 28% plus
faible par rapport à celle observée sur le profil de conduite de Manhattan (tableau 41).
L’écart est plus élevé lorsque la charge thermique est prise en compte. En effet, cette
charge requiert du DSE un apport important en énergie et influence à la hausse la masse de
ce dernier. La masse totale de l’autobus augmente ce qui a un effet sur la puissance motrice
à fournir. L’écart est également important lorsqu’on choisit le type de batterie NiNaCl2. On
a vu que l’énergie spécifique de cette chimie de batterie permet de fournir 97 Wh/kg, près
du double des batteries PbA. Cependant, ce type de batterie ne peut supporter une
puissance trop importante de décharge. Sa puissance spécifique est limitée (180 W/kg).
Pour assurer les besoins en puissance plus importants dans le profil de conduite de
Manhattan, on doit élever la masse des batteries ce qui affecte la masse totale de l’autobus
et conséquemment, la puissance motrice.
On remarque une nette augmentation de la puissance lorsque la masse de la charge est
considérée et ce peu importe le choix du profil ou du choix du type de batterie. Cet écart est
encore plus important lorsque l’on considère la charge thermique dans le bilan énergétique.
Pour un autobus plein, on note une augmentation de la puissance motrice de 28% par
rapport au même autobus vide. Il faut dire que l’autobus conventionnel peut accueillir
quelque 80 personnes ce qui élève la masse totale de l’autobus de 6000 kg en considérant
les passagers. Lorsque la charge thermique est considérée et que l’autobus est plein,
l’augmentation se chiffre entre 30 et 42% par rapport à l’autobus vide sans chauffage
dépendamment du type de batterie utilisé.
160
Quoi qu'il en soit, on ne note pas beaucoup de différence de puissance que la charge
thermique soit présente ou non lorsque l’autobus est plein. Ce sera davantage au niveau de
l’autonomie et de la masse du DSE qu’on verra l’effet de la présence de la charge
thermique dans le bilan énergétique.
On observe, lors des simulations, des puissances motrices maximales qui dépassent dans la
majorité des cas la puissance motrice qui caractérise habituellement les autobus
conventionnels. On a vu que le modèle d’autobus NovaBus LFS est muni d’un moteur à
combustion capable de délivrer une puissance nominale de 209 kW (280 CV). Les résultats
montrent que même à vide et sans compter la capacité de l’autobus à franchir une côte
(rappelons que les tests ont été effectués en supposant une pente nulle), la puissance
estimée dépasse cette valeur cible. Habituellement, les fabricants de moteurs permettent un
fonctionnement à des puissances supérieures à celle indiquée sur la plaque signalétique du
moteur pendant un cours laps de temps. On a vu que le moteur de TM4 peut atteindre une
puissance de 120 kW alors que sa puissance nominale est de 37 kW. On sait que les pointes
de puissances les plus importantes sont observables en période d’accélération intense.
Généralement, ces périodes sont courtes. La puissance moyenne n’atteint en général qu’une
fraction de cette puissance maximale (Exemple tiré d’une simulation : Pmax = 320 kW alors
que Pmoy = 60 kW).
Une étude comparative des performances des autobus conventionnels, hybrides et à pile à
hydrogène, présentée par Dawood, V. et A. Emadi [42], montre en effet qu’en simulation,
la puissance motrice maximale d’un autobus conventionnel nécessaire pour satisfaire des
critères de performances dynamiques typiques à un autobus de transport urbain peut
atteindre 350 kW. C’est bien au dessus de la valeur nominale du moteur de 205 kW. Pour
permettre à un moteur de fournir de telles puissances certains auteurs considèrent ce qu’ils
appellent un facteur de surcharge (en anglais, overload factor) comme Zeng, X., et al [35]
qui utilisent un facteur de 2 permettant au moteur de puissance nominale de 45 kW
d’atteindre 90 kW dans ce cas.
161
L’outil permet de déterminer uniquement la puissance maximale à produire par le moteur.
La détermination de la puissance nominale est laissée à l’utilisateur en fonction de ses
besoins.
3.8.5 Discussion sur la consommation énergétique
La consommation énergétique est calculée en termes d’énergie consommée par unité de
distance (kWh/km). Cette mesure s’apparente à la consommation d’essence en L/100km
des véhicules conventionnels. Plus cette valeur est faible, plus le véhicule est efficace
énergétiquement, c’est-à-dire qu’il utilise moins d’énergie pour parcourir la même distance
par rapport à un véhicule plus énergivore. Cette mesure est souvent utilisée dans la
littérature comme le font Jinrui, N. et al. [34] pour évaluer la performance d’un design de
véhicule.
La consommation énergétique peut varier entre 1.03 et 3.2 kWh/km dépendamment du
scénario étudié (tableau 40). Comme pour les autres paramètres, la consommation
énergétique est influencée surtout par la masse totale du véhicule. Plus la masse est élevée,
plus l’autobus devra travailler pour faire avancer son véhicule. Ainsi, il est normal que la
consommation d’un autobus vide en été munie d’une source à base de batteries Li-ion soit
plus de trois fois plus économique qu’un autobus plein qu’on chauffe en hiver avec des
batteries PbA (1.02 versus 3.2 kWh/km). Ici, c’est l’énergie spécifique d’une source et
l’énergie consommée sur le profil qui influence le résultat. Les batteries à base de Li-ion
semblent dans un contexte similaire avantagées, car elles ont plus d’énergie par kg que tous
les autres types de batteries. Donc, plus la masse du DSE diminue (donc la masse totale de
l’autobus), plus la puissance à fournir par le moteur et les batteries sera faible et meilleure
sera la consommation énergétique de l’autobus.
La charge thermique de chauffage, lorsqu’elle est considérée, accapare une bonne partie de
l’énergie disponible dans le DSE. À contexte similaire, c’est près de la moitié de l’énergie
qui est fournie par le DSE pour subvenir au chauffage de l’habitacle en période de froid
intense (-20 °C).Même si la chaleur corporelle dissipée par les passagers permet à l’autobus
d’économiser jusqu’à 1.8 kWh d’énergie (sur profil de conduite de Manhattan), celle
engloutie pour le chauffage de l’habitacle est tout simplement ahurissante.
162
3.9 Conclusion en regard des résultats de simulation
À la lueur des résultats présentés dans les sections précédentes, il est désormais possible de
répondre sommairement aux interrogations posées initialement. Rappelons que l’on
considère une masse de DSE de plus de deux (2) tonnes métriques comme étant
surdimensionnée pour une application donnée.
Si un gestionnaire de réseau de transport, nommé gestionnaire A, désirait obtenir des
autobus tout électrique munis uniquement de batteries qui fourniraient jusqu’à l’énergie de
chauffage de l’habitacle, on lui conseillerait d’emblée d’opter pour un DSE muni de
batteries Li-ion. Ensuite, on lui conseillerait de cibler des autonomies de 50 km et moins
pour son autobus et d’adapter son parcours de sorte que l’interchangeabilité ou la recharge
des batteries s’effectuent assez fréquemment.
Pour un gestionnaire B qui voudrait des autobus ayant les mêmes caractéristiques que celles
du gestionnaire A mais dont le chauffage serait assumé par une source indépendante du
DSE, on lui suggérerait encore d’opter pour la technologie Li-ion. Dans ce cas, le
gestionnaire pourrait cibler une autonomie allant jusqu’à 100 km avant de faire le plein
sans que le DSE ne soit trop imposant. Par contre, un autobus ayant une autonomie de 50
km permettrait des gains notables au niveau de la masse du DSE ce qui diminuerait son
coût initial par rapport à un autobus ayant 100 km d’autonomie.
Pour un gestionnaire C requérant les mêmes caractéristiques que celles du gestionnaire B,
mais ayant pour objectif de minimiser au maximum sa masse de batteries, quitte à faire des
compromis en termes d’autonomie, on lui proposerait une flotte de véhicules munis de DSE
hybrides. En effet, en supposant une autonomie de 30 km, en utilisant l’hybridation des
sources, on pourrait lui proposer des systèmes dont la masse du DSE n’atteindrait que 340
kg pour un DSE muni de batteries Li-Ion. Une économie de 44% sur la masse par rapport à
la version sans hybridation. Pour les batteries PbA, seule une autonomie de 10 km lui serait
disponible et la masse du DSE atteindrait au maximum 399 kg pour une réduction de la
masse de 64% par rapport à la version sans hybridation.
163
En général, il est possible de satisfaire de nombreuses situations à partir de ces résultats
pourvu qu’une infrastructure de recharge ou d’interchangeabilité permette à un réseau de
transport d’accomplir ses missions sans trop diminuer le temps d’opération de la flotte de
véhicules. Dans tous les cas, l’utilisation des batteries Li-Ion permet des gains notables sur
la masse du DSE et permet à un autobus de parcourir jusqu’à 100 km sans surdimensionner
le DSE. En utilisant l’hybridation des sources, on atteint des réductions de masse encore
plus importantes lorsqu’on se fixe un objectif raisonnablement bas en termes d’autonomie
(30 km).
Conclusion
Le travail présenté dans ce mémoire de maîtrise s’inscrit dans le cadre du développement
d’un outil de pré-dimensionnement du dispositif de stockage énergétique (DSE) d’un
autobus de transport urbain tout électrique. Il est possible de démontrer que le
développement et l’adaptation adéquate d’un modèle mathématique pour des fins de
simulations permet le dimensionnement des principaux composants d’un autobus électrique
comme le moteur et le DSE. En exploitant l’outil, le but de ce travail est d’arriver à
proposer le dimensionnement d’un autobus pour diverses cibles d’autonomie et d’évaluer
son potentiel et son applicabilité.
Une description générale de tous les aspects de l’autobus a été présentée. Tout au long de
ce processus, les principaux composants liés au dimensionnement de l’autobus ont été
abordés, en soulignant lesquels sont les plus propices à l’utilisation dans le contexte de
l’outil de pré-dimensionnement. L’élaboration de l’outil a été faite en adaptant chaque
section du processus de design à la réalité entourant l’autobus. Les types de batteries
empruntés, les moteurs aptes à propulser le véhicule et le type de mission généralement
utilisée par les autobus de transport urbain incluant les profils de conduite ont été analysés
pour orienter le développement de l’outil.
Le développement du modèle, orienté à partir de la description introduite auparavant, a été
abordé en exprimant mathématiquement chacune des sections importantes du
dimensionnement de l’autobus. Les forces de traction et de résistance au mouvement de
l’autobus forment le noyau du modèle. À partir de ces équations, on établit les
performances dynamiques de l’autobus (vitesse maximale, temps d’accélération et tenue de
route en côte). Ces paramètres sont utilisés pour orienter la simulation de sorte que
l’autobus rencontre ces critères de performance. La modélisation des paramètres moteurs,
de la charge thermique et du DSE se greffent au noyau de modélisation en poussant
davantage les détails techniques d’intérêt entourant chaque composant de l’autobus
(Puissance motrice maximale, vitesse de base du moteur, couple maximal développé, masse
de la source, ratio de batteries/Supercapacités, type de batterie, charge thermique observée
sur le profil de conduite, etc.).
165
À partir de modèles documentés de véhicules connus, il a été possible de démontrer que
l’outil développé permettait d’offrir des designs d’autobus dont les paramètres
correspondaient aux valeurs réelles. Le processus de validation a été fait à partir des
modèles de L’Écolobus du réseau de transport de la ville de Québec (RTC) ainsi que de la
EV1 de GM. En comparant les résultats de la EV1, on a pu obtenir des différences de
moins de 10%. Bien que les résultats de simulation de l’Écolobus aient été différents de la
réalité, ce processus de comparaison a permis de faire la lumière sur certaines incertitudes
rattachées à l’outil de pré-dimensionnement. Suite à une analyse de ces différences mettant
en évidence des paramètres non considérés lors de la simulation pour des raisons de
simplification ou par manque d’information, l’outil a été jugé apte à présenter des résultats
de pré-dimensionnement acceptables.
Une étude dimensionnelle concernant uniquement un autobus de transport urbain
conventionnel a été produite à l’aide de l’outil de pré-dimensionnement. L’objectif de
l’étude portait essentiellement sur la taille du dispositif de stockage énergétique (DSE) à
prévoir lors de l’utilisation de l’autobus dans un contexte établi à partir de plusieurs
scénarios. L’étude a été conduite à partir des résultats de 144 simulations représentant 144
scénarios d’utilisation différents.
Les résultats ont démontré que le dimensionnement de la source dépend essentiellement du
choix du type de batteries, de l’autonomie ciblée et du profil de conduite utilisé par
l’autobus. Les batteries permettant de réduire le plus la masse du DSE dans toutes les
circonstances d’utilisation sont sans aucun doute les batteries Li-Ion. Leur énergie
spécifique et leur puissance spécifique élevée, comparativement aux chimies concurrentes,
sont responsables de ce résultat. La masse nécessaire pour accomplir une mission, à
scénario d’utilisation comparable, est de 2 à 4 fois moins élevée en utilisant la technologie
Li-Ion comparativement à la technologie PbA.
D’autres résultats démontrent que l’utilisation de la source pour subvenir aux besoins en
énergie du système de chauffage de l’autobus en saison hivernale est peu recommandable.
En effet, dans presque tous les cas, l’apport en énergie de chauffage correspond à la moitié
de l’énergie disponible de la source.
166
Autrement, on peut montrer que l’utilisation combinée des supercapacités et des batteries,
pour de faibles autonomies, permet de réduire davantage la masse de la source nécessaire
pour répondre aux critères de performances. À titre d’exemple, la masse nécessaire pour
franchir 30 km et moins sur le profil de conduite de Manhattan, lorsque la charge thermique
est assurée par un système de chauffage de bord indépendant du DSE, est cinq (5) fois
moins élevée en utilisant une source hybride à base de batteries Li-Ion contrairement à une
source à base uniquement de batteries PbA.
L’influence du choix du profil de conduite pour dimensionner l’autobus est notable. Étant
donné que le profil d’accélération et de décélération est différent d’un profil à l’autre et que
la vitesse maximale atteinte varie, des écarts importants sont observés sur les résultats de
simulation. Lors du design d’un autobus, il faut tenir compte de ce paramètre en choisissant
un profil de conduite comparable à celui auquel l’autobus devra suivre.
On a montré que la puissance motrice maximale observée lors des simulations dépasse
habituellement la puissance nominale habituellement délivrée par les moteurs d’autobus
existants. La puissance maximale est habituellement observée lors des périodes
d’accélération intense. Ces périodes, habituellement de courte durée, sont fréquentes dans
les parcours empruntés par les autobus et le dimensionnement nominal du moteur doit en
tenir compte. Certains moteurs peuvent fonctionner dans des plages d’utilisation qui
dépassent parfois d’un facteur 3 la puissance nominale du moteur à condition que la
période d’utilisation à ce régime soit courte.
Les simulations conduites dans ce mémoire amènent à la conclusion suivante : le pré
dimensionnement d’un autobus permet d’orienter son design en fonction des besoins d’une
application particulière. En utilisant l’outil développé dans ce mémoire, il est possible pour
un utilisateur d’avoir une idée assez bonne de la taille du dispositif de stockage énergétique
nécessaire d’un autobus pour accomplir une mission à partir de critères de performances
dynamiques établis. Qui plus est, l’outil permet de proposer à un gestionnaire de réseau
divers designs d’autobus et particulièrement de son dispositif de stockage énergétique lui
permettant d’adapter son réseau aux réalités des autobus électriques. C’est-à-dire qu’en
introduisant et en planifiant une infrastructure adéquate de recharge ou d’interchangeabilité
167
des batteries, un gestionnaire pourrait assurer le maintien de son service en utilisant des
autobus uniquement électriques dans les mêmes conditions qu’un réseau muni de véhicules
conventionnels.
Perspectives
Le travail effectué dans le cadre de cette maîtrise amène quelques perspectives. Les axes de
recherche et travaux futurs envisageables sont les suivants :
• Développements futurs d’un banc d’essais.
Un banc d’essai avec diverses technologies de batteries, un moteur électrique adaptable aux
essais expérimentaux et une plateforme simulant la charge liée au profil de conduite serait
bénéfique à l’orientation et au développement précis du modèle du véhicule utilisé dans
l’outil. Les résultats permettraient également de raffiner le dimensionnement du moteur en
introduisant l’optimisation de la caractéristique couple/vitesse du moteur. Le banc d’essai
pourrait également permettre d’étudier le rendement global du système en fonction de la
vitesse de révolution du moteur de sorte que l’on puisse préciser davantage les pertes en
traction et les pertes joules présentes du côté moteur et dans les batteries.
• Évaluation de la cyclabilité et des coûts dans l’optimisation de la masse du
dispositif de stockage énergétique (DSE) de l’autobus.
Actuellement l’outil ne considère pas le cycle de vie des batteries dans son design optimal.
Il est connu que l’un des points faibles des batteries électrochimiques est justement leur
nombre de cycles limité. À mesure que les batteries se chargent et se déchargent, elles
s’usent jusqu’au point où on doive changer de batteries. Le coût initial des batteries est très
variable d’une technologie à l’autre. On sait que les batteries PbA sont approximativement
10 fois moins chères que les batteries Li-Ion mais que leur nombre de cycles maximal est
inférieur à celui des batteries Li-Ion. En introduisant un modèle précis de ces
caractéristiques dans le processus d’optimisation du DSE, l’outil permettrait de choisir plus
judicieusement le type de batterie nécessaire pour le DSE ainsi que sa taille en considérant
le coût comme contrainte d’optimisation supplémentaire.
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Annexe 1. Spécifications techniques de l’autobus LFS de
NovaBus
173
Annexe 2. Résultats de simulation pour le NovaBus LFS
(30, 50 et 100 km)
174
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