Electrique(sge’14) : ef-epf-mge 2014, 8-10 juillet 2014, ens cachan, France Eco-conduite des véhicules : du calcul de la trajectoire idéale à son utilisation lors de l’activité de conduite





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(2)Optimisation energetique de la trajectoire


Avant de réaliser et évaluer un dispositif d’aide à l’éco-conduite, il est important d’avoir une idée sur les enjeux de gain énergétique d’un tel investissement. Pour cela, on s’est attaché dans cette partie à établir une référence de consommation minimale sur un trajet, pratiquement inatteignable par un conducteur, aboutissant à la notion de trajectoire optimale ou idéale. Cette approche se base sur une modélisation systémique du véhicule associée à un algorithme d’optimisation.

2.1.Les modèles utilisés


Afin d'identifier et de comparer le fonctionnement optimal des différents véhicules, nous avons modélisé trois véhicules représentatifs : conventionnel, électrique et hybride. Dans cet article, nous allons détailler le cas du véhicule conventionnel puisque c’est lui qui a été testé avec le système d’aide présenté plus loin. Pour réduire les temps de calcul et intégrer de manière simple les modèles de véhicule dans les algorithmes d'optimisation, nos travaux se sont appuyés sur la modélisation inverse. Les avantages d'une telle modélisation sont expliqués par le schéma en figure 1.



Fig. Modélisation directe vs modélisation inverse

La simulation directe d'un véhicule se base sur des entrées fournies par un conducteur pour calculer le fonctionnement du véhicule en direction du flux de puissance. La vitesse et l'accélération de la voiture sont déterminées à l'aide des entrées que sont les pédales. On parle de modèle inverse lorsque le fonctionnement des composants dans la chaîne du véhicule est calculé en utilisant la vitesse et l'accélération comme variables d’entrée. L'intérêt de cette approche est de retirer le conducteur de la boucle de calcul et s’affranchir ainsi des erreurs pouvant être induit par les boucles d’asservissement de vitesse simulant le suivi de profil. Dans la modélisation inverse le conducteur est supposé idéal, seules certaines hypothèses sur son comportement sont faites.



Fig. Modélisation des véhicules (ECU : Superviseur, FD : differentiel)

En général tous les véhicules peuvent être séparés en un châssis et un groupe motopropulseur (figure 2). Si le groupe motopropulseur diffère suivant le type de véhicule modélisé, le modèle du châssis reste un élément commun à toutes les chaînes et il est seulement nécessaire de changer le paramétrage pour chacune des configurations étudiées. Afin de développer un modèle énergétique du véhicule nous avons spécifié deux hypothèses concernant le châssis:

  • Seul le mouvement longitudinal est considéré

  • Le contact pneu chaussée est parfait

En utilisant ces hypothèses le couple à la roue () à fournir par le groupe motopropulseur peut être calculé en fonction de la vitesse () et de l'accélération () du véhicule:



(1)

est l’inertie équivalente du véhicule ramené à la roue, a est l’accélération, v est la vitesse et Rtire le rayon des pneus.

Les forces résistantes () se composent de la force de résistance au roulement entre le pneu et la chaussée, la force aérodynamique du châssis et la force due à la pente (figure 3). Les forces résistantes représentent les pertes du châssis, qui sont fortement liées à la vitesse du véhicule, mais elles varient aussi avec la masse et la géométrie du véhicule.



Fig. Les forces résistantes

La résistance au roulement est une force due à la déformation du pneumatique lors de son contact avec la route. Bien que cette force dépende de nombreux paramètres, comme la pression du pneumatique, son état d'usure et la qualité de la route, on approxime généralement cette force par :



(2)

avec , le coefficient de résistance au roulement, qui dépend de la charge du véhicule et du rayon de la roue. représentel’accélération de la pesanteur et la masse du véhicule, comprenant le châssis, la transmission, le moteur et les passagers. Sur une route non plane, la pente doit être prise en compte dans le calcul de la résistance au roulement, car la force liée à la gravité n'est pas orthogonale à la surface de la route. La résistance au roulement est indépendante du fonctionnement du véhicule, et ne peut donc pas être influencée par le conducteur au cours du trajet. Cependant, il est évident que cet effort change avec la charge du véhicule. La réduction de la masse du véhicule permettrait de réduire l'énergie nécessaire pour vaincre la résistance au roulement.

La traînée aérodynamique est une force que les constructeurs essaient souvent de réduire par une conception aérodynamique des véhicules. La traînée aérodynamique dépend de la densité de l'air , du coefficient de traînée du véhicule , et de la surface frontale du véhicule . Compte tenu de la vitesse du véhicule, la résistance aérodynamique peut être calculée par :



(3)

Lorsque l'on conduit sur des routes vallonnées, la force due à la pente de la route doit être prise en compte. Lorsque la pente de la route est , la force due à la pente est calculée par :



(4)

Naturellement, la force due à la pente agit comme une force motrice en descente et comme une force résistante en montée.

Dans le cadre de ce travail, différentsgroupes motopropulseurs ont été étudiés. Ici, nous détaillons le cas du véhicule conventionnel (figure 4).

Dans toute la suite, trois hypothèses ont été considérées :

  • Le changement de rapport est instantané

  • Pas de pertes dans l’embrayage, sauf quand la vitesse de l’arbre secondaire est inférieure à celle du ralenti moteur

  • Une consommation des auxiliaires constante () et un rendement constant du système de génération électrique ou hydraulique, notamment en fonction de la vitesse de rotation moteur.

La transmissionmécanique peut êtremodéliséesimplement en utilisant les rapports de réduction du rapport de boite sélectionné,le rapport du différentiel ainsi que les rendements correspondants ().Une cartographie du moteur thermique permet ensuite de calculer le débit massique de carburant () pour un point de fonctionnement () donné (voir figure 5). Pour calculer le couple fourni par le moteur à chaque instant, l’équation en fonction du couple à la roue calculé dans (1) est exprimée comme suit :



(5)

étant l’inertie du moteur, igearle numéro de rapport et le signe du couple à la roue.

La vitesse de rotation du moteur est calculée à partir de la vitesse à la roue du véhicule et les rapports de réduction selon la relation 6.







Avec la vitesse de rotation au ralenti du moteur.

(6)









Fig.Schéma simplifié de la motorisation conventionelle

Dans l’algorithme de recherche de la trajectoire idéale présenté plus loin, nous supposons qu’à chaque instant le rapport retenu est celui correspondant à la consommation de carburant minimale :

(7)

igear étant le numéro de rapport.



Fig.5 Cartographie des isovaleurs de la consommation spécifique de carburant (en g/kWh) en fonction du couple et de la vitesse de rotation du moteur thermique.




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