Approche de coopération et de communication entre véhicules électriques et le smart grid

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1 UNIVERSITE LIBANAISE FACULTE DE GENIE BRANCHE 1 No d'ordre 74/1364/G1-EE/2012 PROJET DE FIN D ÉTUDES Réalisé par Taghrid MAZLOUM Pour obtenir le Diplôme Ingénieur en Électricité et Électronique Option Télécommunications et Informatique Approche de coopération et de communication entre véhicules électriques et le smart grid Dirigé par : Dr. Leila MERGHEM-BOULAHIA Dr. Rana RAHIM-AMOUD Soutenu devant le jury : Dr. Nada CHENDEB Dr. Bacem BAKHACHE Dr. Bassam EL ETER Session Juillet

2 REMERCIEMENTS Si ce projet a pu se réaliser dans d aussi bonnes conditions et susciter chez moi autant d intérêt et de motivation, c est grâce à plusieurs personnes que je tiens à remercier. Je remercie tout d abord Mme Leila Merghem-Boulahia et Mme Rana Rahim-Amoud, pour m avoir accueillie dans leur équipe et de m'avoir confié ce projet. Je les remercie pour le temps et l'intérêt qu elles ont bien voulu consacrer à mon travail ainsi qu'à leur sympathie. Merci de m avoir toujours laissée donner mon point de vue, tout en guidant mes réflexions. J adresse des remerciements à M. Chaiban Haikal, directeur de la faculté de Génie, ainsi qu'à M. Haissam Ziadé, chef du département Électricité-Électronique, pour m avoir donné la chance d effectuer mon stage à l Université de technologie de Troyes (UTT). Je voudrais également exprimer mes remerciements sincères et ma gratitude à l'université de Technologie de Troyes (UTT) ainsi qu à tous les membres de l équipe ICD/ERA pour leur gentillesse. Je remercie les membres du jury à l Université Libanaise, M. Bacem Bakhache, M. Bassam El Eter et Mme Nada Chendeb pour l intérêt qu ils ont porté pour mon travail. Merci à tout le cadre de la faculté de génie pour nous avoir présenté une bonne ambiance d études pendant les cinq années d ingénierie. Enfin, je remercie de tout mon cœur mes parents qui m ont soutenue, m ont encouragée lors des moments difficiles et m ont aidée à aboutir à l obtention de mon diplôme d ingénieur. Taghrid Mazloum 2

3 Résumé Dans les futurs systèmes de transport intelligents, les véhicules seront équipés d unités spéciales leur donnant la capacité de communiquer en sans fil. En outre, il est prévu que les véhicules électriques prennent une partie importante du marché du futur. Les préoccupations pour réduire les émissions de carbone et de stimuler l'utilisation des énergies renouvelables et durables ont motivé le concept de communication véhicule-à-réseau (vehicle-to-grid : V2G). Ce concept intègre les véhicules électriques au sein du Smart Grid (réseau d'électricité de l'avenir). Ces véhicules électriques auront donc la capacité de communiquer avec le réseau électrique intelligent afin de charger/décharger leur batterie. Notons que plusieurs types de stations peuvent être disponibles offrant ainsi plusieurs types de recharge. La problématique qui se pose est alors d arriver à chercher et à réserver la station la plus convenable pour le conducteur en se basant sur plusieurs critères (urgence, coût, etc.). Cette recherche et cette réservation devraient être réalisées suite à des communications V2G. Le but de ce projet est donc de proposer une approche de communication et de coopération entre véhicules électriques et smart grid. Cette approche permet une bonne politique de recharge des véhicules électriques prenant en compte leurs spécificités (trajets, préférences des utilisateurs, etc.) ainsi que les offres actuelles (rapidité de la recharge, prix, nombre de véhicules souhaitant se recharger, etc.). Mots clés : véhicules électriques, smart grid, réseaux véhiculaires (VANET), communications entre véhicules et réseau (V2G) 3

4 Abstract In the future intelligent transportation systems, vehicles will be equipped with special units giving them the capacity to communicate wirelessly. Furthermore, it is expected that electric vehicles will take a significant part of the market in the future. Global preoccupations to reduce carbon emissions and stimulate the use of renewable and sustainable energies have motivated the concept of vehicle-to-grid (V2G) power, which integrates the electric vehicles within the smart grid (the electricity network of the future). These electric vehicles will therefore be able to communicate with the smart grid to charge/discharge their battery. Note that several types of stations are available and offer different types of recharge. The problem that arises is how to find and book the most convenient station for the driver based on several criteria (emergency, cost, etc.). The V2G communications are therefore intended to support this research and reservation. The purpose of this project is to propose an approach of communication and cooperation between electric vehicles and smart grid. This approach enables an efficient strategy to recharge electric vehicles taking into account their specific features (journey, user preferences, etc.) and current offers (speed of charging, price, number of vehicles needing a charge, etc.). Key words: electric vehicles, smart grid, VANET, vehicle-to-grid (V2G) 4

5 TABLE DES MATIERES INTRODUCTION GENERALE... 7 CAHIERS DE CHARGES... 8 CHAPITRE I : ETAT DE L'ART SUR LES RESEAUX VEHICULAIRES ET LES VEHICULES ELECTRIQUES Introduction Les réseaux véhiculaires Les équipements de la route (Road Side Unit : RSU) Architectures de communication Applications Les véhicules électriques Les types de véhicules électriques Les barrières contre le développement des véhicules électriques Les différents moyens de recharge Conclusion CHAPITRE II : ETAT DE L'ART SUR LE RESEAU ELECTRIQUE INTELLIGENT EI LES COMMUNICATIONS ENTRE VEHICULES ET RESEAU Introduction Le réseau électrique intelligent (smart grid) Introduction Objectifs Capacités intégrées dans le smart grid Systèmes de comptage communicant (smart meter) Communication de véhicule à réseau (Vehicle-to-Grid : V2G) Description Chargement de véhicule à véhicule La nécessité de la gestion du réseau Conclusion CHAPITRE III : PROPOSITION D'UNE APPROCHE DE COOPERATION ET DE COMMUNICATION V2G Introduction Modèle des agents proposés Quelques paramètres de l'approche Approche proposée pour la coopération et la communication V2G La détection du besoin de la recharge

6 4.2 Déclenchement du processus de communication et de coopération La prise de décision lorsque la demande est urgente La prise de décision concernant des situations non urgentes Conclusion CHAPITRE IV : SIMULATIONS ET DISCUSSIONS DES RESULTATS Introduction Le simulateur choisi Implémentation de l approche Scénario adopté Influence du prix de la recharge Influence du temps d'attente Influence du type de recharge Conclusion CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES REFERENCES

7 INTRODUCTION GENERALE Plusieurs constructeurs automobiles tels que Nissan, Mitsubishi, General Motors et Chevrolet ont récemment commencé à déployer les véhicules électriques hybrides plug-in (Plug-in Hybrid Electrical Vehicle : PHEV) à partir de leurs lignes de production. De plus en plus d'entreprises automobiles projettent de se développer sur le marché PHEV au cours des années suivantes. La recherche concernant les véhicules électriques est en cours depuis de nombreuses décennies ayant connu des périodes de croissance ainsi que des périodes de popularité réduite. Les principales limites qui ont empêché ces véhicules de décoller sont les coûts élevés, les barrières technologiques de batteries, l'autonomie limitée et le manque de l'infrastructure électrique suffisante (c.à.d. les smart grids). De nos jours, comme les réserves en pétrole s'épuisent et les coûts de l'essence sont de plus en plus élevés, les véhicules électriques évoluent rapidement, en s'intégrant dans les réseaux intelligents. En outre, dans le climat politique actuel, il y a une pression croissante sur les gouvernements à adopter des politiques ciblées sur la réduction des émissions de gaz à effet de serre et la promotion de technologies plus propres et plus durables tels que les véhicules électriques hybrides rechargeables. Les véhicules électriques offrent de nombreux avantages par rapport aux véhicules conventionnels à base de combustibles. Parmi ces avantages, on trouve des moteurs plus efficaces, des émissions faibles, moins de dépendance en combustibles fossiles, le stockage d'énergie quand le réseau génère une quantité d électricité en excès et enfin la capacité de communication de véhicule à réseau (Vehicle to Grid V2G) pour alimenter le réseau électrique durant les périodes de pointe où le réseau sera très chargé. Cependant, les principaux inconvénients des véhicules électriques sont les coûts élevés des batteries et leur faible durée de vie, la longue durée de charge et l'autonomie limitée. Néanmoins, les technologies et les capacités de batteries s'améliorent rapidement et les coûts devraient baisser tant que la technologie continue à se développer [1]. L'opération de charger un véhicule électrique à partir du réseau électrique intelligent (smart grid) influe sur la configuration et le fonctionnement du smart grid, surtout durant les heures de pointe. Cela peut aboutir à surcharger le réseau et conduire aux fluctuations de tensions. Cependant, même sans cette opération, de nombreux systèmes de distribution des pays sont souvent surchargés (par exemple, l'utilisation accrue de la climatisation dans les zones où les températures sont élevées). Par conséquent, beaucoup de recherches sont en cours pour contrôler et gérer les recharges des véhicules électriques. Cela bénéficie de l'utilisation des compteurs intelligents, l'un des principaux composants du smart grid, qui permet de conseiller l utilisateur de décaler le chargement de son véhicule dans le temps en indiquant un tarif élevé. 7

8 CAHIERS DE CHARGES La plupart des utilisateurs ont un même trajet quotidien de la maison vers le travail et inversement. Ces trajets parcourus sont habituellement courts. Dans ce cas, le véhicule électrique peut servir sans poser de problèmes d'autonomie. Ce véhicule sera chargé pendant la nuit alors qu'il est stationné au parking de la maison. Durant la journée, la recharge pourra être effectuée dans le parking de l'entreprise, si nécessaire, pour faire le trajet de retour. La communication entre véhicules électriques et smart grid est toujours nécessaire pour éviter de perturber le réseau électrique et de le surcharger. Pour certaines flottes de véhicules, comme les taxis, et pour les longs trajets, l'autonomie des véhicules rechargeables présente un véritable problème limitant l'usage de ce type de véhicules. En effet, lors de la conduite d un véhicule électrique, le conducteur reçoit un message lui indiquant que le véhicule a besoin de se charger pour parcourir la distance restante pour arriver à destination. Le fait d'aller à chaque station et lui demander de la charge, risque de gaspiller le temps, de diminuer de plus en plus l'autonomie du véhicule et d aboutir à des embouteillages. D'où la nécessité de la communication sans fil afin d éviter de s'arrêter à chaque station. Comme les stations peuvent être de types différents, la durée de recharge peut différer d'une station à une autre et peut prendre un temps qui est relativement long. En plus, la gestion et le contrôle du smart grid peut ne pas aboutir à chaque fois à l'accessibilité de la recharge, surtout pendant les pics de consommation. Par conséquent, une approche de communication et de coopération entre le véhicule électrique rechargeable et le smart grid est le but de ce projet. Cette approche vise à éviter les arrêts inutiles à chaque station pour profiter du temps et diminuer les congestions. Cette approche permet ainsi de chercher la station la plus convenable pour le cas qui se présente (durée restante pour arriver à la destination, prix total de la charge, type de la recharge, etc.) et de réserver la station. Ceci garantira au conducteur que la station trouvée est capable d'alimenter la batterie de sa voiture en satisfaisant ses préférences. Ce rapport de fin d'étude est organisé en quatre chapitres. Le premier chapitre présente un état de l art sur les réseaux véhiculaires et les véhicules électriques en décrivant d abord les architectures de communication dans les VANETS et ses applications et en présentant ensuite les types des véhicules électriques, les barrières contre leur développement et les différents moyens de recharge. Le deuxième chapitre décrit l état de l art sur le réseau électrique intelligent et les communications entre véhicules et réseau. Le réseau électrique intelligent est traité par ses objectifs, ses capacités et le principal composant de communication intelligent. L intégration des véhicules électriques dans le smart grid est également présentée dans ce chapitre. Le troisième chapitre, quant à lui, présente l'approche de communication et de coopération proposée entre véhicules électriques et smart grid. Le quatrième chapitre expose les résultats de la simulation et les discussions. Ce rapport se termine par une conclusion générale rappelant nos principales contributions suivies des perspectives du travail réalisé. 8

9 CHAPITRE I : ETAT DE L'ART SUR LES RESEAUX VEHICULAIRES ET LES VEHICULES ELECTRIQUES 1 Introduction Le transport véhiculaire est un véritable domaine attirant l'attention de la recherche de part les problématiques intéressantes qu'il pose. L'intérêt consiste à alléger le nombre des victimes des accidents routiers et à diminuer les congestions visant à simplifier la vie des passagers. L'intégration de la technologie d'information et de communication dans le domaine de transport rend ainsi ce dernier plus sécurisé et plus convivial. Pour des raisons économiques et environnementales, beaucoup de pays cherchent à électrifier le domaine de transport. Ainsi il est prévu que les véhicules électriques dominent le marché du futur. De ce fait, le besoin des nouvelles infrastructures de recharge devient assez urgent. 2 Les réseaux véhiculaires Les réseaux véhiculaires aussi appelés VANETS (Vehicular Ad-hoc Network) représentent une des composantes les plus prometteuses des Systèmes de Transport Intelligents (STI). Ces systèmes visent à intégrer les nouvelles technologies de l information et de la communication dans le domaine des transports en vue d améliorer la sécurité et le confort des usagers de la route. Les VANETS constituent une sous-classe des MANETS où les nœuds peuvent être des véhicules ou des infrastructures fixes, installées le long des routes, appelées unités ou équipements de la route RSU (Road Side Unit). Les différents nœuds du réseau disposent d équipements leur permettant de communiquer via des technologies sans fil. La figure 1 représente un réseau véhiculaire VANET où les communications ont lieu entre les véhicules mais aussi entre les véhicules et l infrastructure. Fig. 1. Le réseau véhiculaire VANET [2] 2.1 Les équipements de la route (Road Side Unit : RSU) Ces équipements de la route (ou RSU) sont des éléments principaux dans certaines applications des VANETS. Ils peuvent être considérés comme un point d accès LAN sans fil et servent à communiquer avec l infrastructure. Le RSU est un appareil de communication de courte portée (Dedicated Short Range communication DSRC). Les DSRC sont, en effet, des communications sans fil, uni- ou bidirectionnelles, fonctionnant dans la bande des 5,9 GHz avec une bande passante de 75 MHz et une portée approximative de 1 Km. Les DSRC sont spécialement conçus pour les systèmes de transport 9

10 intelligent c'est-à-dire pour les communications entre un véhicule (automobile) et l'infrastructure (routière) ou entre deux véhicules. 2.2 Architectures de communication On note principalement deux architectures de communication dans les réseaux véhiculaires : ad-hoc et hybride, entre véhicules, et à ces deux-là s'ajoute l'architecture véhicule à réseau (ou V2G) Architecture ad-hoc Les véhicules participants forment un réseau mobile ad-hoc pour établir des communications de type Véhicule à Véhicule (V2V). Dans ce type de communication, les véhicules peuvent, par exemple, s échanger des informations sur leur position et leur vitesse pour alerter les conducteurs en cas de non-respect de la distance de sécurité. Ainsi les applications de sécurité sont concernées particulièrement par cette architecture de communication Architecture hybride Cette architecture intègre les technologies cellulaires aux réseaux véhiculaires et implique des communications qui peuvent être de type Véhicule à Véhicule (V2V), Véhicule à Infrastructure (V2I), Infrastructure à Véhicule (I2V) ou encore Infrastructure à Infrastructure (I2I). Ce type de communication peut, par exemple, être utilisé pour offrir une connexion Internet aux véhicules à partir d une RSU qui joue le rôle de passerelle. Les communications de type V2I et I2V peuvent aussi bien concerner la sécurité que le confort. Ces deux architectures de communication laissent entrevoir une panoplie de nouvelles applications qui peuvent être très utiles aux usagers de la route et aux gestionnaires des infrastructures routières [3]. Cependant un nouveau type de communication, appelé Véhicule à Réseau (Vehicle to Grid: V2G) s ajoute aux deux précédentes Architecture de communication Véhicule à Réseau (V2G) V2G se réfère à la communication et la coopération entre les véhicules électriques et le réseau électrique intelligent (smart grid) afin de gérer les opérations de charge /décharge des véhicules et surveiller le réseau. Dans notre projet, on s intéresse tout particulièrement à ce type de communication notamment lorsqu'un véhicule circulant sur une route, détecte le besoin de se charger. Notre proposition permet, en effet, à un véhicule de se charger sans s arrêter devant chaque station pour vérifier sa disponibilité, son type, ses prix, etc. 2.3 Applications Une des applications de VANET consiste à munir nos voitures et nos routes de capacités de communication permettant de rendre la route plus sûre et de rendre la conduite plus conviviale donnant ainsi un système de transport intelligent (STI). 10

11 Plusieurs types d'applications peuvent être distingués dans le cadre des VANETS. Notons les applications utilisées pour la sécurité routière, le contrôle et la gestion du trafic et les applications de confort Utilisation pour la sécurité routière Les applications de sécurité routière peuvent jouer un rôle important dans la prévention des accidents. En effet, un système d'alerte précoce peut alerter le conducteur sur le scénario routier, par exemple, un accident, donnant ainsi au conducteur suffisamment de temps pour réagir en conséquence. En effet, alerter en cas de ralentissement anormal permet d'avertir les automobilistes de situations de circulation particulières. L'information, quelle que soit la nature des difficultés de circulation, renseigne l'automobiliste qu'il est nécessaire de ralentir. En outre, la conduite collaborative est un concept qui améliore considérablement la sécurité du transport routier. Cette innovation est basée sur un échange de renseignements entre des véhicules munis d'instruments (ex : capteurs) leur permettant de percevoir leur environnement et de collaborer en groupes. On peut aussi sur le même principe échanger des informations sur le trafic et les travaux afin de fluidifier le réseau routier en indiquant par exemple des itinéraires bis [4] Contrôle et gestion du trafic Cette application consiste à s'attaquer à des congestions routières et à fournir le meilleur itinéraire aux conducteurs. En effet, la congestion aux intersections de la route peut être manipulée d'une manière efficace en utilisant les feux de circulation intelligents. Ces feux peuvent s'adapter en réponse à des conditions de circulation à l'intersection et peuvent même communiquer l'état d'intersections voisines Applications de confort Les réseaux collaboratifs sont en train de se développer en particulier avec les réseaux pair-àpair. Les cartes collaboratives (wiki) et les petites annonces peuvent être des services distribués à base de réseaux collaboratifs. Un système de distribution de publicité et d'informations pratiques (concerts, restaurants, etc.) peut être mis en place à l'entrée des villes. Les applications d'information et de divertissement sont également envisagées pour les réseaux véhiculaires. Les passagers d'un véhicule peuvent profiter de la facilité de connexion à Internet, où d'autres options traditionnelles d'accès à Internet (sans fil Wi-Fi, Wi-MAX, etc.) ne sont pas disponibles. Même en présence de ces options, un nœud connecté à Internet par le biais de ces options, peut partager sa connexion avec d'autres véhicules grâce aux VANETS. Un autre service se présente qui consiste en la gestion des espaces libres dans les parkings. Il permet de rassembler des informations sur la disponibilité de l'espace de stationnement dans 11

12 les parkings et de coordonner entre automobilistes afin de les guider aux espaces libres [4]. Par conséquent, les trajets inutiles seront réduits, de même pour les émissions de carbone. 3 Les véhicules électriques Un véhicule électrique est un véhicule dont la propulsion est assurée par un moteur fonctionnant exclusivement à l énergie électrique. Ce type de véhicules a pour intérêt de réduire la pollution locale dans les zones urbaines, de décroître les émissions de gaz à effet de serre qui contribuent au réchauffement de la planète, de diminuer les consommations de carburant, de diversifier les approvisionnements énergétiques. 3.1 Les types de véhicules électriques Plusieurs types de véhicules électriques se présentent qui sont : le véhicule tout électrique (ou à batterie), le véhicule hybride (ou électrique à autonomie prolongée), le véhicule hybride rechargeable (ou véhicule hybride plug-in) et le véhicule à pile à combustible. Le véhicule tout électrique fonctionne avec des batteries rechargeables à partir d'une source extérieure d'électricité, tels que les prises murales. Alors que pour les véhicules hybrides rechargeables et les véhicules hybrides, la propulsion électrique peut être assistée par un moteur thermique. Le véhicule hybride se rapproche davantage du véhicule tout électrique dans son fonctionnement, dans la mesure où, contrairement au véhicule hybride rechargeable, seul le moteur électrique fait marcher les roues, le moteur thermique servant simplement à recharger la batterie une fois celle-ci vidée. Les véhicules hybrides rechargeables se rechargent à partir du réseau électrique. Les véhicules hybrides rechargeables et les véhicules hybrides sont une solution particulièrement élégante. En effet, ils se comportent comme des véhicules électriques sur courte distance et comme des véhicules thermiques sur les plus longs trajets. Le véhicule à pile à combustible est un type de véhicule à hydrogène qui utilise une pile à combustible. Ces piles produisent de l'électricité pour alimenter un moteur électrique utilisant de l'hydrogène et l'oxygène. Dans notre travail, les véhicules électriques désignent les véhicules rechargeables, comme les véhicules tout électriques et les véhicules hybrides rechargeables. Le développement de ces véhicules est freiné par beaucoup de barrières que l'on décrit dans ce qui suit. 3.2 Les barrières contre le développement des véhicules électriques Pour adopter le véhicule électrique dans le marché du futur, plusieurs recherches ont lieu pour résoudre les problèmes liés à ces véhicules, comme les prix élevés de ces véhicules et des infrastructures de recharge, l'autonomie limitée, la longue durée de recharge, et la durée de vie des batteries. Le prix élevé: En raison de son caractère innovant et des faibles séries de production, le véhicule électrique est aujourd hui plus coûteux que son équivalent thermique. Grâce aux aides à l'acquisition mises en place par certains gouvernements, le prix d'achat d'un véhicule 12

13 électrique hors batteries se rapproche de celui de son équivalent thermique. Reste la question du prix des batteries. Afin d'optimiser les coûts, la maintenance et le recyclage, les batteries sont généralement proposées en location par les constructeurs. L autonomie: C est la distance pouvant être parcourue par le véhicule sans ravitaillement en énergie. En raison de l'absence des infrastructures publiques de recharge très rapide, l'autonomie limite l'utilisation du véhicule électrique. Techniquement, cette barrière est franchissable. Paradoxalement, 82 % des Européens font moins de 100 km par jour. Ils sont même 45 % à rouler moins de 30 km par jour. Donc, en théorie, l autonomie de la batterie ne devrait pas être un frein pour les automobilistes. Mais en théorie seulement, tant que l effort pédagogique des constructeurs pour les rassurer n aura pas porté ces fruits, tant que le saut technologique ne permettra pas d envisager des départs en vacances sans soucis [5]. La quantité d énergie que l on peut stocker dans une batterie de taille raisonnable est bien inférieure à la quantité d énergie contenue dans un réservoir d essence de taille équivalente. Ainsi, un kilogramme d essence permet à une voiture de rouler en moyenne 25 km, alors qu un kilogramme chargé des meilleures batteries lithium-ion d aujourd hui donne une autonomie de seulement 0,4 km. A noter que l'autonomie varie selon le modèle de la batterie et le style de conduite. En moyenne, les véhicules électriques sont supposés avoir une autonomie de 150 km. La longue durée de charge: La durée pour charger les véhicules électriques peut varier d'une demi-heure à une journée ou plus, en fonction de la capacité de la batterie, l'état de charge de la batterie, et le type de charge utilisé. Le chargement de ces véhicules devrait être réalisé pendant les périodes creuses pour lisser la courbe de la demande journalière. Les coûts élevés des infrastructures de charge: Pour pouvoir charger le véhicule électrique à la maison, les infrastructures nécessaires doivent être installées. L'installation de ces infrastructures, ainsi que les équipements eux-mêmes, coûtent trop cher. Durée de vie des batteries: Il existe de grandes incertitudes sur la durée de vie de la batterie fonctionnant en conditions réelles sur plusieurs années. Les tests des constructeurs sur les bancs d essai sont concluants et montrent qu un véhicule électrique peut rouler km sans avoir à remplacer sa batterie. Mais ces tests ne sont pas effectués en conditions réelles (chocs thermiques, humidité, conduite abrupte) et certains facteurs comme l usage intensif de la recharge rapide pourraient dégrader les performances des batteries sur le long terme. De plus, le véritable indicateur pour estimer l usure de la batterie ne se mesure pas en nombre de kwh transmis, mais plutôt en nombre de cycles de charge/décharge effectués. Aujourd hui, les meilleures batteries peuvent réaliser entre et cycles avant de devoir être remplacées. Pour un véhicule qui n est rechargé que tous les 100 km, cela correspond à ou km, ce qui est amplement suffisant. En revanche, pour un 13

14 véhicule rechargé tous les 30 km, la batterie devrait être remplacée au mieux tous les km. 3.3 Les différents moyens de recharge Une contrainte des véhicules électriques est qu il faut les recharger souvent de par leur autonomie limitée, ce qui pose des problèmes techniques d électronique de puissance pour recharger rapidement et de standardisation des prises (ou autre moyen de recharge) pour un accès universel et sécurisé dans l espace public L échange de batteries C est une solution proposée pour pallier les temps de recharge des batteries très longs sans l infrastructure adaptée pour une recharge rapide. Le principe serait d avoir des stationsservices proposant d échanger la batterie du véhicule vidée par une batterie équivalente complètement rechargée. Dans ce système économique, le client ne serait pas le propriétaire des batteries de son véhicule mais il les louerait. Évidemment, cette solution demanderait une standardisation de l emplacement et de la forme des batteries pour le secteur automobile [6] La recharge par induction Le constructeur automobile Nissan a développé, en collaboration avec la société Showa Air craft Industry, un nouveau système pour recharger sans contact des batteries de voitures électriques lorsque celles-ci sont en stationnement dans des parkings spécialement aménagés. Le principe, relativement simple, utilise l induction électromagnétique entre deux bobines. La version proposée délivre 10 kw et est prévue pour l espace public. Une version moins puissante de 3 kw est envisagée pour les résidences. La compagnie Evatran basée en Californie teste depuis 2009 un système similaire et s apprête à commercialiser des bornes de recharge sans fil. Ce système représenterait une avancée majeure si des villes et/ou des tronçons d autoroute en étaient équipés, donnant aux véhicules électriques une plus grande autonomie que celle des véhicules à énergie fossiles. La figure 2 représente le chargeur à induction de Renault/Nissan [6]. 14

15 Fig. 2. Le chargeur à induction de Renault/Nissan [6] Les chargeurs branchables Plusieurs types de standards existent et émergent pour le rechargement de véhicules électriques. Au-delà du connecteur physique utilisé, la puissance délivrée influe nettement sur le temps de recharge. Par conséquent, un véhicule électrique peut être rechargé sur différents types de prises normées. Étant donné le temps de charge conséquent d un véhicule électrique sur les prises les plus répandues que sont les prises domestiques, la plupart des utilisateurs rechargeront à leur domicile, durant la nuit, ou sur leur lieu de travail pendant la journée. Ces prises ou bornes dites "normales" permettent une recharge complète d une batterie de 25 KWh en 8 heures. Les prises de recharge "rapides" seraient plutôt utilisées dans les parkings publics et les centres commerciaux où le temps de stationnement moyen est égal au temps de recharge. Ils permettent une charge en moins de 2 heures. Les prises de recharge "très rapides" seraient situées sur la voirie et auraient surtout le rôle psychologique de rassurer le conducteur contre la panne, en lui permettant de charger son véhicule en moins d'une heure. Dans notre projet, on s intéresse le plus souvent aux chargeurs branchables qui représentent les stations de recharge. 4 Conclusion Les réseaux véhiculaires ou VANETS ont été présentés dans ce chapitre qui a décrit leurs architectures de communication et leurs applications. L infrastructure, RSU, avec laquelle le VANET peut communiquer a été également décrite dans ce chapitre. Nous avons aussi présenté les véhicules électriques, leurs différents types, les barrières contre leur développement et les différents moyens de recharge. L apport des technologies de l information et de la communication ne s arrête pas au niveau des VANETS, mais il s étend à celui du réseau électrique qui devient le réseau électrique 15

16 intelligent. Dans ce contexte, les communications entre véhicules et smart grid sont traitées dans le chapitre suivant. 16

17 CHAPITRE II : ETAT DE L'ART SUR LE RESEAU ELECTRIQUE INTELLIGENT EI LES COMMUNICATIONS ENTRE VEHICULES ET RESEAU 1 Introduction L'augmentation continue de la consommation d'énergie avec les préoccupations environnementales sont les moteurs conduisant à insérer l'intelligence dans les réseaux d'énergie électrique. Pareillement le besoin des nouvelles sources d'énergie se présente. Ce sont les sources d'énergie renouvelable et les véhicules électriques capables de stocker l'énergie et la délivrer au réseau pour le supporter surtout durant les pics de consommation. Ce chapitre décrit le smart grid en expliquant ses objectifs, ses capacités et son principal composant qui est le système de comptage communiquant. Il présente ensuite les communications de véhicules à réseau afin de gérer et contrôler les opérations de charge/décharge des véhicules et gérer le réseau. En plus l idée de charger un véhicule d un autre véhicule est discutée. 2 Le réseau électrique intelligent (smart grid) 2.1 Introduction Le smart grid est un réseau «intelligent» qui utilise des technologies informatiques de manière à optimiser la production, la distribution, la consommation ainsi que de mieux mettre en relation l'offre et la demande entre les producteurs et les consommateurs d'électricité. L'apport des technologies informatiques devrait permettre d'économiser l'énergie, sécuriser le réseau et en réduire les coûts. C'est aussi une réponse à la nécessité de diminuer les émissions de gaz à effet de serre pour lutter contre le dérèglement climatique. C est un réseau permettant, non seulement la fourniture de l'énergie aux utilisateurs, mais admettant également aux consommateurs d'apporter leur propre énergie au réseau pour aider à stabiliser le réseau surtout durant les périodes de surcharge. La figure 3 représente le smart grid. Elle montre l intégration des ressources d énergie renouvelable comme les éoliennes et les photovoltaïques dans le réseau électrique. Les véhicules électriques sont pareillement intégrés dans le réseau et servent comme un réservoir d énergie. Le système de comptage communiquant révèle la mise en relief de la technologie des informations assurant l intelligence du réseau. 17

18 Fig. 3 Le smart grid [7] 2.2 Objectifs Les investissements dans un réseau intelligent doivent soutenir les objectifs suivants : améliorer la performance environnementale et augmenter l'efficacité de la production, de la transmission, et de l'utilisation de l'énergie Performance environnementale Le réseau intelligent favorise les réductions d émissions de carbone en facilitant la production d électricité renouvelable, en permettant de remplacer les véhicules conventionnels par des véhicules électriques, en abaissant la consommation d énergie des clients et en atténuant les pertes d énergie sur le réseau [8] Efficacité de la production, de la transmission, et de l'utilisation de l'énergie L'efficacité du transport de puissance et de la consommation d'énergie doit être améliorée en rendant le réseau électrique plus intelligent et en sensibilisant les consommateurs. Une transition de l'infrastructure traditionnellement centralisée à une forme décentralisée mènera probablement à atténuer le problème de perte d'énergie puisque les sources d'énergie seront à proximité des consommateurs finaux. Le réseau intelligent permet la mise en œuvre et l'interconnexion des ressources énergétiques distribuées pour accroître l'efficacité énergétique. Rendre le réseau intelligent aura besoin des disciplines, de la modélisation intelligente, des analyses, de l'évaluation et de l'optimisation pour surmonter ces défis [9]. 2.3 Capacités intégrées dans le smart grid Le passage à un réseau plus automatisé implique des changements et des améliorations dans toute la chaîne de valeurs du réseau, qu il s agisse du mode d exploitation utilisé par le fournisseur d électricité, du mode de structuration du réseau ou du mode d interaction entre 18

19 l utilisateur et l infrastructure du réseau. Ces changements peuvent être classés en plusieurs catégories et constituent les caractéristiques ou «capacités» clés du réseau intelligent [10]. Dans ce qui suit nous allons décrire ces capacités. Réaction à la demande Cette capacité concerne la possibilité pour l utilisateur ou l opérateur de modifier la demande d électricité à un moment donné. Cela se fait à l aide de données en temps réel affichées par le compteur intelligent. La réaction à la demande peut prendre la forme d un comportement actif du client à la suite de divers signaux, en général le prix de l électricité au compteur. Elle peut être aussi automatisée par l intégration d appareils ménagers intelligents et de dispositifs du client qui réagissent aux signaux transmis par l entreprise d électricité, en fonction de la stabilité du réseau et des paramètres de charge. Le consommateur peut ainsi contribuer à l effacement de la pointe tout en décalant son activité vers un temps où le réseau sera moins chargé c.à.d. les prix de l électricité seront moins élevés. Grâce aux nouvelles technologies de l information, chaque maison individuelle dotée de solutions de gestion active sera ainsi connectée au réseau intelligent, et permettra une intégration efficace des énergies renouvelables et un rechargement optimisé du véhicule électrique. Détection et atténuation des problèmes Une surveillance intelligente sur un réseau plus intelligent permet la détection précoce et localisée des problèmes de sorte que les événements ponctuels peuvent être isolés et que des mesures d atténuation peuvent être implantées pour minimiser les impacts sur le reste du réseau. Le système actuel d acquisition et de contrôle de données (SCADA), développé en grande partie il y a plusieurs décennies, a fait un travail décent de surveillance et d intervention. Mais il a ses limites : la détection et la surveillance qu il assure ne couvrent pas une partie assez importante du réseau; le processus de coordination entre les entreprises d électricité en cas d urgence est extrêmement lent; les protocoles de commande utilisés par les entreprises d électricité sont souvent incompatibles c.à.d. ne sont pas interexploitables [10]. Production d énergies conventionnelles et renouvelables En amont des Systèmes Energétiques Intelligents, se situent les centrales de production, historiquement basées sur des moyens de production centralisés conventionnels comme le charbon, le gaz nucléaire et l hydro-électrique, et évoluant progressivement vers des moyens de production renouvelables décentralisés : éolien, solaire thermique et photovoltaïque, géothermie, énergies marines et piles à combustibles. Optimisation de l utilisation des installations La surveillance à l échelle de tout le réseau offre la possibilité de réduire les pertes d énergie, d améliorer la répartition, d augmenter la stabilité et de prolonger la durée de vie des infrastructures. Par exemple, elle permet un entretien opportun, un équilibrage efficace de l offre et de la demande selon une optique économique, opérationnelle et environnementale ainsi que la détection des surcharges des transformateurs et conducteurs. 19

20 Gestion et pilotage global des systèmes électriques L optimisation globale des systèmes énergétiques nécessite la mise en œuvre de technologies de «Centres de Contrôle» opérant en tant que «tour de contrôle» des flux énergétiques temps réel dans les réseaux de transport et de distribution. Ces centres de contrôle interagissent en temps réel d une part avec les capteurs, équipements de protection et de contrôle répartis dans les postes électriques et, d autre part, avec les clients offrant une flexibilité suffisante pour contribuer à l équilibrage des réseaux. Alors qu historiquement seules les centrales de production conventionnelles offraient ce type de services, la pénétration croissante d énergies intermittentes nécessite l interfaçage de nouvelles ressources de production, de stockage et de clients consommateurs prêts à mieux synchroniser leur demande en énergie, ce qui correspond à une thématique- clé des réseaux intelligents. La migration des réseaux vers les réseaux intelligents nécessite donc une refonte significative de ces systèmes d information temps réel avec de nouveaux enjeux liés à l intégration de très grands volumes de données ces données devront potentiellement être issues de chaque consommateur - et de nouvelles technologies de visualisation en support à l aide à la décision. Stockage distribué de l électricité Le réseau traditionnel a toujours été centralisé. Le réseau intelligent permet la décentralisation des sources génératrices de l électricité. Par exemple, des petits producteurs locaux peuvent acheminer vers le réseau l électricité qu ils ont produite, mais qu ils n ont pas utilisée, et pour laquelle ils pourront être rétribués justement. Cependant, le vent et le soleil procurent de l énergie en fonction de leur propre horaire, et non selon les besoins du réseau. Le réseau intelligent est conçu pour gérer le caractère intermittent de la production renouvelable par le truchement d éléments perfectionnés et localisés de surveillance, de répartition et de stockage. Le déploiement significatif des véhicules électriques a par ailleurs permis d améliorer les technologies de stockage électrique à base de batteries tant en terme de durabilité que de coût. Ces moyens de stockage fortement distribués doivent, pour être exploités, être intégrés aux centres de contrôle. Gestion active des bâtiments Pour les entreprises et les administrations publiques, la gestion active est le moyen le plus rapide, le plus économique et le plus efficace de réduire leur facture énergétique et leurs émissions de CO2 tout en accompagnant la croissance de la demande et de la production industrielle. Il s agit d installer des équipements à basse consommation, d introduire des outils de mesure et de contrôle en temps réel, et d optimiser en permanence l ensemble des utilisations finales grâce à l intelligence énergétique «ajoutée». En connectant des bâtiments devenus actifs aux réseaux électriques intelligents par le biais de réseaux locaux (microgrids) au sein d écoquartiers, les gestionnaires et propriétaires immobiliers profiteront des nouvelles opportunités offertes pour optimiser leur budget d investissement et de fonctionnement. 20

21 Intégration des véhicules électriques L avènement programmé du véhicule électrique impactera fortement à la fois l infrastructure urbaine et les réseaux électriques. En effet, l un des facteurs-clés du succès du véhicule électrique étant la disponibilité de structures de charge sûres et faciles d utilisation, il va falloir multiplier les points de charge électrique : dans les maisons individuelles, dans les bâtiments privés (parking d immeuble résidentiel ou de bureaux), dans les infrastructures publiques (voirie) ou accessibles au public (parking de centre commercial ou station-service). Une infrastructure de comptage avancé permettrait aux clients de recharger les batteries de ces véhicules durant les heures creuses selon les prix prévus et les habitudes d utilisation des véhicules, alors que le comptage bidirectionnel pourrait donner la possibilité de revendre l énergie accumulée durant les heures de pointe. Cet appel de puissance électrique dédiée à la recharge des véhicules électriques va conduire à une modification du scénario conventionnel de la consommation électrique et implique que des dispositions spécifiques à la charge et à sa tarification soient intégrées dès l origine pour ne pas perturber l équilibre des réseaux électriques. Enfin, la charge devra s effectuer dans des conditions de sécurité parfaites et respectueuses des normes applicables tant pour la sécurité des biens que celles des personnes, car il en va de la réussite du déploiement des véhicules électriques. 2.4 Systèmes de comptage communicant (smart meter) Les compteurs communicants ou compteurs intelligents sont une des composantes du déploiement des réseaux d électricité intelligents dont ils constituent l ossature. Ils sont une première étape vers le déploiement de futurs systèmes de comptage intelligent. Le smart meter est capable de donner une facturation par tranche horaire permettant aux consommateurs de choisir le meilleur tarif chez les différentes entreprises productrices, mais aussi de jouer sur les heures de consommation, permettant ainsi une meilleure utilisation du réseau électrique. Un tel système permettrait aussi de cartographier plus finement les consommations et de mieux anticiper les besoins, à des échelles plus locales. 3 Communication de véhicule à réseau (Vehicle-to-Grid : V2G) 3.1 Description Les véhicules sont 90 % du temps à l arrêt, souvent dans le garage de leur propriétaire ou sur un lieu de parking public. Dans le cas du véhicule électrique, il est donc possible de le laisser de manière quasi permanente connecté au réseau électrique. L électricité étant très difficile à stocker, le réseau électrique doit accomplir la tâche délicate d équilibrer en permanence l offre à la demande de courant. La courbe de demande d électricité connaît des pics de consommation, notamment l hiver vers 19 heures en semaine en Europe, lorsque chacun rentre chez soi et allume chauffages, lampes, télévisions, ordinateurs, etc. Ces pics de demande sont très difficiles à gérer pour le réseau, et souvent ce sont des centrales au fuel, très polluantes et très coûteuses, qui sont activées pour y répondre. Or, si l électricité peut venir du réseau pour recharger la batterie d un véhicule électrique, pourquoi la batterie chargée en tout ou partie d un véhicule connecté ne pourrait- elle pas se décharger partiellement dans le réseau pour répondre ponctuellement à une demande 21

22 soudaine d électricité? C est ce qu on appelle le Vehicle-to-Grid (V2G) : si un nombre conséquent de véhicules électriques agissait ainsi comme «tampons» sur le réseau avec les technologies de communication bidirectionnelle, en se déchargeant lors des pics de demande et en se rechargeant lors des creux (la nuit surtout), ils permettraient de lisser la courbe de charge et d améliorer les performances économiques et environnementales du réseau électrique [5]. La figure 4 montre l'intégration des véhicules électriques dans le réseau intelligent. Fig. 4 Les véhicules électriques dans le réseau intelligent [11] 3.2 Chargement de véhicule à véhicule Le véhicule électrique est capable d'alimenter le réseau surtout durant les périodes de pics de consommation ou en cas d'urgence. L'énergie stockée dans la batterie du véhicule pourrait également suppléer aux exigences électriques de l'habitation. De ce fait, l'énergie stockée dans les véhicules électriques rechargeables peut être transférée directement, avec surveillance, à un autre véhicule. C'est le concept Véhicule-à-Véhicule [12]. L'opération se fait par un simple branchement d'un câble entre les deux véhicules et pourrait avoir lieu dans un lieu rural où un véhicule aura besoin de l'énergie électrique pour continuer son chemin alors qu'un autre en possède un excès. Il est important de noter que nous n'avons pas considéré cette option dans notre travail, puisqu'elle est peu fréquente en réalité. 3.3 La nécessité de la gestion du réseau Les véhicules électriques rechargeables (VER) permettent de réduire la dépendance envers les combustibles fossiles liquides dans le transport. La recharge de ces véhicules est envisagée d'avoir lieu au travail, aux centres commerciaux, etc., où la distribution de puissance est déjà suffisante pour soutenir les efforts commerciaux. Cependant, il est plus probable que la recharge des véhicules aura principalement lieu au domicile car le réseau électrique existant aura été conçu pour le service à l'échelle résidentielle, qui est généralement limité par KVA transformateurs et des câbles souterrains qui ont des capacités de l'ordre de 100 KVA. 22

23 Au niveau "normal" de la charge, la charge des véhicules permet de doubler la consommation d'électricité d'une résidence moyenne des États-Unis (à partir de 1.2 KW à 2.6 KW). Cette charge supplémentaire peut avoir d'importants effets néfastes sur l'infrastructure de distribution résidentielle, en particulier les transformateurs et les câbles souterrains, même dans des scénarios de pénétration modérée du VER [13]. On se réfère toujours aux situations et des exemples existants en USA et en Europe puisqu ils avancent sur ces sujets. Les services publics sont de plus en plus préoccupés par les dégradations de performance, les contraintes potentielles et les surcharges qui peuvent survenir dans les systèmes de distribution avec des multiples activités de charge des véhicules électriques. Beaucoup ont suggéré l'utilisation de systèmes de tarification dynamique pour atténuer les effets néfastes de la charge des véhicules électriques. En outre, ce schéma de tarification réclame un système de charge chez le consommateur qui peut communiquer avec le système de distribution d'énergie et permet aux clients de choisir décharger en se basant sur la fluctuation des prix ou d'avoir la technologie installée pour prendre les décisions de charge. Notons que cette approche exige que le système de distribution d'énergie connaîtra des informations spécifiques sur certains clients, ce qui aggrave les préoccupations actuelles au sujet de la confidentialité des données et la sécurité dans un environnement de réseau intelligent. En effet, durant les pics de consommation où le réseau ne supporte pas de charger le véhicule, les prix seront trop chers. Par conséquent, le client préfère décaler l'activité de charger son véhicule à un autre temps. 4 Conclusion On a présenté dans ce chapitre le smart grid qui engage l'intelligence dans le réseau électrique afin d'optimiser la production, la distribution, la consommation ainsi que de mieux mettre en relation l'offre et la demande entre les producteurs et les consommateurs d'électricité. Les communications véhicules à réseau sont bien présentées dans ce chapitre. Ces communications sont les fruits de l'intégration des véhicules dans le réseau. En effet, la plupart du temps les véhicules sont stationnés dans le parking et parsuite ont la capacité d'alimenter le réseau ou de se charger. Ces communications peuvent pareillement avoir lieu entre véhicule et véhicule pour le même but d échange de la charge. Ces opérations nécessitent le contrôle et la gestion du réseau. Dans le chapitre suivant, une approche de coopération et de communication entre véhicules et réseau est proposée pour allouer de la charge pour un véhicule roulant sur la route, lui permettant ainsi de continuer son chemin vers sa destination. 23

24 CHAPITRE III : PROPOSITION D'UNE APPROCHE DE COOPERATION ET DE COMMUNICATION V2G 1 Introduction Les véhicules électriques rechargeables, y compris les véhicules à batterie et les véhicules hybrides plug-in, seront une partie intégrante du réseau électrique intelligent du futur. Le V2G permet à ces véhicules, par des moyens de communication, non seulement de se charger à partir du réseau, mais aussi d'alimenter ce dernier pour le supporter durant les pics de consommation. Un scénario tout à fait plausible, est que de nombreux propriétaires des véhicules électriques arrivent à leur domicile presqu'en même temps. Immédiatement ils branchent leurs véhicules pour les charger pendant une période de pic de consommation. Ces activités non coordonnées et aléatoires peuvent considérablement perturber le système de distribution en provoquant de sévères fluctuations de tension, une dégradation de l'efficacité du système et de l'économie, ainsi que l'augmentation de la probabilité de panne d'électricité due à des surcharges. Heureusement, le développement de l'infrastructure du réseau de communication intelligent fournira une excellente occasion de gérer ce problème en aboutissant à la coordination intelligente entre le réseau et les véhicules électriques [14]. Grâce à la communication entre les deux collaborateurs, le V2G permet une gestion et un contrôle de l'opération de la charge. Pour certaines flottes de véhicules comme les taxis, les ambulances, etc. et pour les longs trajets, l'autonomie des véhicules rechargeables présente un véritable problème limitant l'usage de ce type des véhicules. Le déploiement des infrastructures de recharge le long de la route et l'amélioration de la technologie des batteries doivent conduire à résoudre ce véritable défi. En effet, la durée de recharge diffère d'une station à une autre et peut prendre un temps qui est relativement long. En plus, la gestion et le contrôle du smart grid peut ne pas aboutir à chaque fois à l'accessibilité de l'opération de la recharge, surtout pendant les heures de pointe. De ce fait, une approche de communication et de coopération entre le véhicule électrique rechargeable et le smart grid est proposée dans ce chapitre, visant à éviter les arrêts inutiles à chaque station pour optimiser le temps et diminuer les congestions. Cette coopération entre le véhicule électrique et le smart grid permet la recharge du véhicule en payant le moins possible et profitant de plus du temps. En effet, en communiquant avec le smart grid, le véhicule s informe sur toutes les stations existantes dans son voisinage et surtout sur le prix proposé par chaque station et le temps qu il faut attendre pour que la station soit disponible pour qu il se charge. Par conséquent, le véhicule choisit la station permettant d optimiser le temps d attente et le prix à payer. Dans ce qui suit, nous allons définir d abord les agents proposés dans notre approche puis les paramètres sur lesquels la décision de recharge est prise. Ensuite nous allons présenter l approche en l expliquant en détail. 24

25 2 Modèle des agents proposés Notre approche consiste d abord à détecter le temps à partir duquel il faut commencer à chercher une station pour recharger le véhicule et afin d arriver à sa destination. Ensuite des communications auront lieu afin de permettre à l utilisateur de savoir les types de stations existant dans son voisinage parmi lesquelles il peut choisir celle qui lui convient le mieux. Il choisit toujours la station lui permettant d optimiser les prix de la quantité de charge requise et le temps d attente. Le V2G se base sur l intelligence intégrée au réseau électrique et la technologie d information apportée entre le smart grid et les conducteurs. De ce fait, nous pouvons proposer un modèle à base d agents qui symbolise les différents éléments de l approche proposée. Un système multi-agents (SMA) est un système composé d'un ensemble d'agents, situés dans un certain environnement et interagissant selon certaines relations. Un agent est une entité caractérisée par le fait qu'elle est, au moins partiellement, autonome, et qui peut être un processus, un robot, un être humain, etc. Le SMA a un grand potentiel pour la modélisation de la prise de décision autonome des entités, et peuvent donc être utilisés pour modéliser et gérer le smart grid. Dans l'approche proposée, trois agents sont présentés : l'agent VE (Véhicule électrique) qui représente le logiciel de contrôle du véhicule électrique rechargeable, l'agent conducteur et l'agent grid représentant les stations de recharge du smart grid incluant les maisons intelligentes, les stations de recharge rapide se trouvant sur la voirie publique, etc. Les rôles de chaque agent sont brièvement décrits comme suit. Agent conducteur : Agent VE : - Informer l'agent VE sur le planning des déplacements sur la journée, c.à.d. la destination espérée et sa situation d'urgence. - Réserver une borne ou une station de recharge pour recharger le véhicule suite à une demande de l'agent VE. - Analyser les données de l'agent conducteur. - Communiquer et coopérer avec l'agent grid pour chercher une borne ou une station de recharge et la réserver, en essayant toujours de satisfaire le conducteur, en lui permettant de payer et d attendre le moins possible. - Envoyer une demande à l'agent conducteur pour réserver une station et aller charger le véhicule. Agent grid : - Répondre à la demande de l'agent VE de manière à ne pas perturber le réseau. Pour résumer notre approche, on peut l expliquer par le schéma de la figure 5. 25

26 Fig. 5. Scéma de communication et coopération entre différents agents 1- L agent conducteur informe l agent VE sur le planning des déplacements sur la journée ainsi sur ses préférences. 2- L agent VE analyse ces informations pour détecter le besoin de la charge électrique. 3- La coopération et la communication V2G aura lieu ainsi en cas du besoin de la charge électrique. 4- Présenter à l agent conducteur la station de recharge choisie et voir si l agent conducteur souhaite faire une réservation 5- Réservation de la station choisie si l agent conducteur le souhaite. 3 Quelques paramètres de l'approche Afin d expliquer l approche proposée, quelques paramètres utilisés sont définis dans ce qui suit. SOC : Cette variable représente l'état de charge (State Of Charge) de la batterie du véhicule. C est le pourcentage de la charge résiduelle de la batterie du véhicule par rapport à sa capacité totale. Dist_rest_destin : C est la distance restante à parcourir par le véhicule pour arriver à la destination souhaitée. En d autres termes, c est la distance entre la position actuelle du véhicule et sa destination finale. Dist_rest_charge : C est la distance que le véhicule peut encore parcourir grâce à la charge actuelle de sa batterie. t : le temps à attendre pour recevoir des réponses des différentes stations à la requête envoyée par le VE. Cas_Urgent : C est une variable de type booléen validée par l'agent conducteur pour spécifier sa situation. Si le conducteur est en situation urgente et qu il ne peut pas perdre beaucoup du temps pour charger son véhicule, il préfère charger sa voiture à partir d une station de recharge très rapide sachant que cette recharge coûte cher et peut nuire à la batterie 26

27 de la voiture. Dans l autre cas, à savoir lorsque le conducteur n est pas trop pressé, il préfère une station de recharge rapide et profite ainsi du temps de rechargement pour prendre une pause durant son long trajet. 4 Approche proposée pour la coopération et la communication V2G Si le véhicule a besoin de se charger pour atteindre sa destination, l'agent VE doit communiquer et coopérer avec le smart grid afin de trouver la meilleure station de recharge, réserver un tour, se charger et reprendre ensuite la route pour atteindre sa destination. L'approche de coopération et de communication entre véhicules électriques et le smart grid peut être expliquée sur plusieurs étapes. 4.1 La détection du besoin de la recharge En connaissant le planning des déplacements sur la journée de l agent conducteur, l agent VE est capable de déterminer le besoin de charger le véhicule pendant le trajet et déterminer le temps pertinent pour commencer à chercher une station. Ce mécanisme est détaillé dans les étapes expliquées ci-après. Etape 1 : Lecture des paramètres initialisés par l'agent conducteur : Lors du démarrage du véhicule, le conducteur, présenté par l'agent conducteur, doit informer le véhicule sur son planning des déplacements sur la journée, en spécifiant sa destination et sa situation d'urgence. Cette dernière signifie que si le conducteur est capable d'attendre beaucoup de temps pendant que sa voiture se charge ou non, s'il est en retard ou non, etc. Ce paramètre influe donc sur le choix du type de recharge. L agent conducteur peut surtout exprimer ses préférences pour le choix d'une station de recharge. Ces préférences concernent le prix total de la charge demandée pour la batterie du véhicule et le temps d'attente dans la station et s expriment en affectant un poids pour le prix et un autre pour le temps d'attente optimisant ainsi ces deux critères. L'agent VE dont le rôle principal est de coopérer et communiquer avec le smart grid afin de trouver la station de recharge qui convient le plus aux besoins du conducteur, interprète les données initialisées par l agent conducteur. De ce fait, il calcule un coût lui permettant de choisir la meilleure station qui convient au conducteur. Le coût est une fonction linéaire du prix et du temps d'attente. Soit α le poids du prix et β celui du temps d'attente. Le coût sera exprimé selon l équation 1. La solution la plus intéressante est celle qui offre le plus petit coût. Si l'agent conducteur s'intéresse plus à l'optimisation du temps qu au prix à payer, il donnera une valeur à β plus grande que celle donnée à α. Dans ce cas, il préfère payer plus mais attendre le moins possible. Coût = α*prix + β*temps d'attente (équation 1) Etape 2 : Calcul de Dist_VE_dest et Calcul de Dist_rest_charge : L état de charge (SOC) de la batterie du véhicule est connu par l agent VE à partir d'un ou plusieurs capteurs. La capacité totale de la batterie est aussi déjà connue. En connaissant la destination du conducteur, le SOC et la capacité de la pile, l'agent VE peut estimer si le véhicule est capable d'arriver à la destination prévue sans ou avec besoin de se charger sur le chemin. Il peut encore déterminer la quantité de recharge minimale requise 27

28 pour atteindre sa destination. Cette estimation aura lieu au départ, or la communication et la coopération entre l'agent VE et le smart grid débute selon le SOC de la batterie. L'agent VE, à l'aide du système GPS, détermine la position actuelle de la voiture. Sachant la destination, il est capable de calculer la distance (dist_ve_dest) totale à parcourir. D'autre part, sachant le SOC et la capacité globale de la batterie, l'autonomie de la charge actuelle (dist_rest_charge) sera calculée. En comparant ces deux valeurs, l agent détecte si le véhicule aura besoin de se charger dans une station sur la route. Etape 3 : Calcul de la quantité de charge requise : Dans le cas où le véhicule aura besoin de se charger dans une station sur la route, l'agent VE doit calculer la quantité de charge requise nécessaire pour que le véhicule puisse arriver à sa destination. Cette quantité est calculée à partir de deux distances déjà calculées, c.à.d. à partir de dist_ve_dest et dist_rest_charge. La différence de ces deux valeurs donne la distance que le véhicule ne peut pas parcourir sans se charger de la quantité de charge ainsi calculée. Pour déclencher le processus de communication et de coopération, il faut attendre qu une partie de la batterie se vide au cours du trajet. Cette partie doit être équivalente à la quantité de charge requise calculée par l agent VE. Une fois cette partie est chargée, le véhicule sera capable de poursuivre son chemin vers la destination sans le besoin de s arrêter une deuxième fois pour la recharge. Donc, dès que la batterie est capable d'avaler cette quantité, le processus sera provoqué. La comparaison nécessaire pour déclencher le processus de recherche d une station est donc décrite par l inéquation 1. (1-SOC)*capacité de la batterie quantité de charge requise (inéquation 1) Où (1-SOC) exprime le pourcentage de la partie vide actuelle de la batterie. Ce pourcentage, une fois multiplié par la capacité de la batterie, exprime la partie vide en KWh de la batterie. Etape 4 : Estimer le temps de la vidange de la batterie et attendre ce temps : Si l inéquation déjà expliquée n est pas vérifiée, l agent VE peut estimer le temps où la batterie sera capable d accepter la quantité d énergie requise. En roulant, et quand ce temps est passé, l agent vérifie de la situation de la batterie pour déclencher le processus de communication et de coopération. Etape 5 : Déclenchement du processus de communication et de coopération : Quand la batterie sera capable de supporter la quantité d énergie requise, le processus de communication et de coopération sera déclenché. Ce processus est expliqué dans les organigrammes qui suivent. Si c'est nécessaire de charger le véhicule en route, l'agent VE doit envoyer des requêtes exprimant son besoin de se charger au smart grid pour coopérer ensemble afin de trouver la meilleure station qui satisfait aux préférences du conducteur concernant le type de la recharge, le temps d attente optimal dans la station et le prix optimal à payer. La coopération et la communication seront réalisées en sans fil. Par conséquent, le conducteur ne sera pas obligé de perdre son temps à s arrêter à chaque station et à communiquer avec elle pour savoir si c'est possible de charger sa batterie. Rappelons que grâce à la technologie du smart grid, les stations de recharge sont très nombreuses et variées. 28

29 L'algorithme présenté par l'organigramme de la figure 6 explique les conditions nécessaires pour déclencher le processus de coopération et de communication entre l'agent VE et l'agent grid. En d'autres termes, cet algorithme explique le cas où c'est nécessaire de recharger le véhicule durant le parcours sur la route. Début (Etape 1) Lecture des paramètres initialisés par l'agent conducteur: destination (x,y), urgence, poids du prix de la charge requise (α), poids du temps d'attente (β) (Etape 2) Calcul de Dist_VE_dest Calcul de Dist_rest_charge Non Dist_VE_dest Dist_rest_charge? Fin (Etape 3) Oui Calcul de la quantité de charge requise (Etape 4) Estimer le temps de la vidange de la batterie et attendre ce temps Non (1-SOC)*capacité de la batterie quantité de charge requise? (Etape 5) Oui Déclenchement du processus de communication et de coopération Fig. 6. Organigramme détectant le besoin de se charger en route et optimisant le déclenchement du processus de coopération 4.2 Déclenchement du processus de communication et de coopération Dans cette partie, nous supposons que les conditions nécessaires pour le déclenchement du processus de coopération et de communication entre l agent VE et l agent grid sont vérifiées. De ce fait, le processus est déclenché et suit les étapes suivantes : Etape 1 : Diffuser une requête : L'agent VE diffuse un message de demande d'énergie électrique. Il spécifie dans la demande l'identifiant du véhicule (Vehicular Identification Number VIN), la position actuelle du véhicule, la position de sa destination, et la quantité de charge requise. Cette quantité est estimée par l'agent VE, de façon à ce qu'il optimise les besoins du conducteur modélisé par l agent conducteur, en lui permettant de satisfaire ses besoins en payant le moins cher et optimisant le temps d attente. Etape 2 : Attendre un temps t : Après l envoi de la requête, il faut attendre un certain temps t pour recevoir des réponses de différentes stations du smart grid et les traiter. A la réception de la requête, l agent grid commence par s assurer qu il se situe dans la direction du véhicule vers sa destination. Cela se fait par la lecture de la position du véhicule et celle de sa destination à partir de la requête. En effet, le véhicule n'a pas intérêt à faire demi-tour pour se charger pour des raisons évidentes de gain de temps. L agent station ou 29

30 grid s assure ensuite qu il possède la quantité de charge demandée par le véhicule et qu il est capable de la délivrer sans perturber l'équilibre du réseau électrique. La prise de décision par cet agent de délivrer ou pas de l'énergie suit les opérations de contrôle et de gestion du réseau. L agent grid ne répond à la requête que s il remplit les conditions citées dessus. Ainsi, le nombre de messages inutiles est diminué permettant de réduire, en conséquence, les phénomènes de congestion et de perte de messages. Si l'agent VE ne reçoit aucune réponse, il doit renvoyer la demande à la fin d un temporisateur qu il aura défini. Dans l autre cas, lorsque l agent reçoit des réponses, il doit les traiter selon la situation d'urgence de l'agent conducteur. Cette situation détermine en premier lieu le type de la recharge souhaitée par le conducteur. Les deux traitements selon le cas d urgence du conducteur sont expliqués dans les organigrammes des figures 8 et 9. La réponse des stations doit contenir : - SIN (Station Identification Number) : Identifiant de la station - Le temps libre (qui détermine la durée d attente dans la file d'attente de la station avant que la voiture aura son tour pour se charger) - Le type de recharge - Le prix total de la charge requise - Sa position (x,y) La figure 7 représente l'organigramme déclenchant le processus de communication et de coopération Diffuser une requête (Etape 1) Attendre un temps t (Etape 2) Non Réponses reçues? Oui Oui Cas_Urgent? Non (Etape 3) (Etape 4) Prise de décision concernant les situations urgentes Prise de décision concernant les situations non urgentes Fig.7 Organigramme traitant les réponses selon la situation d'urgence du conducteur 4.3 La prise de décision lorsque la demande est urgente Dans le cas d une demande urgente, le conducteur préfère charger sa voiture le plus vite possible, mais il peut être obligé de charger sa voiture dans un temps assez long selon les stations existantes sur sa route. Cette prise de décision est expliquée ci-après. 30

31 Etape 1 : Choisir la station de recharge très rapide offrant le plus petit coût : Dans le cas urgent, l agent conducteur préfère charger son véhicule à partir d une station de recharge très rapide. De ce fait, il pourra continuer son chemin sans être très interrompu, c est à dire en réservant la station offrant le plus petit temps pour l opération de chargement. L agent VE, dans ce cas, essaye de trouver une station de recharge très rapide offrant le plus petit coût. Le coût est déjà expliqué dans la partie 4.1 (Etape 1). Le poids le plus élevé de la fonction coût correspond bien sûr au temps d attente qui est le temps au bout duquel la station sera disponible pour charger le véhicule en question. L agent doit chercher la station la moins occupée qui sera alors disponible le plus vite possible. En général, les prix offerts par ce type des stations sont élevés, sachant que ce type de recharge a une grande influence sur le réseau électrique. En effet, il délivre une grande puissance, et ceci peut perturber le réseau notamment durant les pics de consommation et peut conduire aux fluctuations des tensions. De ce fait, l agent grid ne répond plus d une manière aléatoire aux requêtes mais en coopérant avec les systèmes de contrôle et de gestion du réseau. Etape 2 : Renvoyer une demande : S'il n'y a pas de stations de recharge très rapide parmi les réponses reçues par le véhicule et que l'état de charge de la batterie est plus grand qu'un certain seuil, l'agent VE préfère renvoyer de nouveau sa demande afin de trouver la station qui satisfait le conducteur. Tant que l état de charge est plus grand qu un certain seuil, ceci signifie qu il y a assez d'énergie dans la batterie que le véhicule peut utiliser pour avancer plus et renvoyer de nouveau la demande. Etape 3 : Choisir la station de recharge rapide offrant le plus petit coût : Dans le cas où l'état de charge de la batterie est plus petit ou égal à un certain seuil, l agent VE essaie de trouver un autre type de stations pour assurer la continuité du chemin même avec une interruption plus ou moins longue pour la recharge du véhicule. Dans ce cas, il faut choisir une station de recharge rapide. Si parmi les réponses reçues par l'agent VE, des stations de recharge rapide existent, l'agent cherche la station offrant le meilleur coût. La station choisie permet la recharge du véhicule le plus tôt possible et pendant la durée la plus courte éventuelle. Etape 4 : Choisir la station de recharge normale offrant le plus petit coût : Si l'agent ne repère aucune station de recharge rapide, il fait indiquer au conducteur les autres types de stations valables tels que les stations de recharge normale. L'agent présente au conducteur la solution la plus optimale offrant le plus petit coût (prix, temps d attente dans la file d'attente). Ce choix est mauvais. En effet, le conducteur est obligé de laisser sa voiture se charger pour plusieurs heures et prendre un taxi par exemple pour continuer son chemin et arriver à sa destination. Etape 5 : Présenter la solution au conducteur et lui demander d accepter de réserver la station : Dans tous les cas concernant les choix des stations, l'agent VE présente la station choisie au conducteur en lui demandant d'accepter de réserver la station choisie. Si ce dernier accepte, l'agent VE recommence la communication avec la station pour la réserver. Sinon, il envoie une nouvelle demande. 31

32 Etape 6 : Réserver : L agent VE communique avec la station choisie pour réserver la station. Il envoie une demande de réservation à la station et attend un acquittement. L'organigramme présenté par la figure 8 détaille l'opération de la prise de décision dans le cas où l'utilisateur est en situation d'urgence. Non Existe-il une station de recharge très rapide dans les réponses? Oui (Etape 1) Non SOC SOCmin? Oui Choisir la station de recharge très rapide offrant le plus petit coût (Etape 2) Renvoyer une demande Non Existe-il une station de recharge rapide dans les réponses? Oui Choisir la station de recharge normale Choisir la station de recharge rapide (Etape 4) offrant le plus petit coût offrant le plus petit coût (Etape 3) (Etape 5) Présenter la solution au conducteur et lui demander s'il souhaite une réservation Non Réserver? Oui Réserver (Etape 6) Fig. 8. Organigramme de la prise de décision dans des situations urgentes 4.4 La prise de décision concernant des situations non urgentes La prise de décision est expliquée dans les étapes suivantes. Etape 1 : Choisir la station de recharge rapide offrant le plus petit coût : Etant donné que la recharge très rapide endommage la batterie qui est trop chère et donne des prix trop élevés, la recharge normale de son côté dure des heures, une station de recharge rapide présente un bon compromis. L'agent VE cherchera une telle station dans le cas où le conducteur n'est pas en situation d'urgence. Il essaye de trouver celle offrant toujours le plus petit coût en favorisant soit le prix soit l'attente dans la station selon les préférences du conducteur. Dans 32

33 une telle situation, le conducteur peut prendre son déjeuner ou une pause pendant que sa voiture se charge. Etape 2 : Renvoyer une demande : S il n'y a pas de stations de recharge rapide dans le voisinage du véhicule et que la charge est plus grande qu un certain seuil, l'agent VE peut continuer à renvoyer des demandes tout en circulant sur la route. Etape 3 : Choisir la station de recharge valable quel que soit son type offrant le plus petit coût : S il n'y a pas de stations de recharge rapide dans le voisinage du véhicule et que la charge est plus petite ou égale à un certain seuil, le véhicule tentera de chercher une autre station de n importe quel autre type. Etape 4 : Présenter la solution au conducteur et lui demander d accepter de faire une réservation : Dans le cas où nous trouvons une station, il faut afficher la station trouvée au conducteur en lui recommandant s'il accepte de réserver cette station. Etape 5 : Réserver : Si le conducteur appuie sur le bouton de réservation, l'agent VE communique avec la station pour la réserver. Si la réservation échoue, c.à.d. la station est réservée pour une autre voiture par exemple, l agent VE essaie de renvoyer de nouveau des demandes ou il réserve la station mais pour un temps plus tard. Si la source de recharge est un autre véhicule, il faut que les deux véhicules se mettent d'accord sur l endroit d arrêt et le temps où l opération de recharge aura lieu. L organigramme de la figure 9 explique comment se déroule la prise de décision dans le cas d'une situation non urgente. 33

34 Non Existe-il une station de recharge rapide dans les réponses? Oui (Etape 1) Non SOC SOCmin? Oui Choisir la station de recharge rapide offrant le plus petit coût (Etape 2) Renvoyer une demande (Etape 3) Choisir la station de recharge valable quel que soit son type offrant le plus petit coût (Etape 4) Présenter la solution au conducteur et lui demander s'il souhaite une réservation Non Réserver? Oui (Etape 5) Réserver 5 Conclusion Fig. 9. Organigramme de la prise de décision concernant des situations non urgentes Dans ce chapitre, nous avons proposé et expliqué notre approche de communication de V2G dans laquelle l'agent VE vise à satisfaire l agent conducteur surtout dans le cas où le véhicule a besoin de se charger durant un parcours assez long vers une destination précise. Le but étant d'éviter les arrêts inutiles à chaque station. De ce fait, l'agent VE communique et coopère avec l agent grid afin de réserver la station la plus optimale en se référant aux exigences du conducteur modélisé par un agent. L'étape suivante consiste à tester l'approche proposée par simulation. 34

35 CHAPITRE IV : SIMULATIONS ET DISCUSSIONS DES RESULTATS 1 Introduction Après la proposition de l'approche de coopération et de communication entre véhicules électriques et smart grid, l'étape suivante exige d'évaluer l'algorithme procuré. Dans ce chapitre plusieurs scénarios sont présentés et les résultats obtenus par simulation sur NS-2 sont discutés. De ce fait le choix du simulateur est très important. 2 Le simulateur choisi Le simulateur de réseau à événements discrets NS-2 est choisi pour implémenter et évaluer notre approche. Il est principalement conçu avec les idées de la conception orientée objets, de réutilisabilité du code et de modularité. C'est un logiciel libre et exécutable sous Unix et sous Windows. Le simulateur NS-2 actuel est particulièrement bien adapté aux réseaux à commutation de paquets et à la réalisation de simulations de grande taille. Il contient les fonctionnalités nécessaires à l'étude des algorithmes de routage, des protocoles de transport, de session, de réservation, des services intégrés et des protocoles de niveau application. NS-2 se compose d'une interface de programmation en TCL et d'un noyau écrit en C++ dans lequel la plupart des protocoles ont été implémentés. Chaque objet C++ est accessible via TCL et vice versa. En effet, TCL (Tool Command Language) est un langage de commande comme le shell UNIX mais qui sert à contrôler les applications. En pratique, l'interpréteur TCL se présente sous la forme d'une bibliothèque de procédures C qui peut être facilement incorporée dans une application. Le simulateur est écrit en C++, avec un interpréteur OTcl comme un frontend. C++ est rapide à exécuter, mais plus lent à changer, ce qui convient pour la mise en œuvre détaillée d'un protocole. OTcl fonctionne beaucoup plus lentement, mais peut être changé très rapidement (et de manière interactive), le rendant idéal pour la configuration de simulation. 3 Implémentation de l approche L approche proposée s intègre dans la couche applicative. On a ainsi intégré trois agents dans la couche application; l agent VE simule le véhicule, l agent conducteur simule le conducteur et chaque agent grid représente une station de recharge du smart grid. Les données de l application seront envoyées dans la partie information du paquet et non pas dans la partie entête. Ces données (ADU : Application Data Unit) doivent être transmises à l agent transport. De ce fait, il a fallu créer un nouvel agent de la couche transport, dérivé de la classe UDP. Cet agent est capable de recevoir des données existantes dans le champ information du paquet. De même, il faut émettre des paquets vers les agents de la couche applicative. Notons que nous avons besoin de créer un nouvel agent de transport, car les agents de la couche transport existant dans le simulateur ne permettent pas le transfert des données dans le champ information du paquet. 35

36 4 Scénario adopté Le scénario étudié considère un tronçon d'autoroute unidirectionnelle de longueur 50 Km. Deux stations de recharge sont implémentées sur cette autoroute dont les caractéristiques sont définies dans le tableau 1. T_libre Prix Capacité Position_X Type_Recharge Nombre d'unités de temps après lequel la station devient disponible et capable de recharger un véhicule Le prix de l'unité de charge déterminé par la station Le nombre d'unités de charge disponibles au sein de la station La position de la station sur l'autoroute en Km Le type de recharge disponible au sein de la station Tableau 1 La définition des caractéristiques d'une station Les véhicules sont supposés entrer dans le tronçon étudié à des temps différents, roulent sur l'autoroute à une même vitesse constante, soit 100 Km/h. Cette valeur de la vitesse est choisie puisque sur les autoroutes les vitesses sont limitées. Supposons qu ils possèdent la quantité d'énergie suffisante leur permettant de traverser le tronçon d'autoroute. De ce fait, ils peuvent rouler le long du chemin sans se bloquer. Mais cela ne signifie pas que la charge électrique du véhicule lui permettra d'atteindre sa destination. Le tableau 2 représente les caractéristiques d un véhicule simulé. Dans notre simulation, nous ne prendrons en compte que les véhicules qui auront besoin d énergie électrique pour continuer leur chemin vers leur destination sans se bloquer. Les autres véhicules poursuivent leur chemin normalement et n influent pas sur nos résultats. L unité de charge est une quantité de charge avec laquelle le véhicule se charge pendant une unité de temps. La durée de la simulation est de 30 min. SOC Position_X_VE Vitesse Charge_req L état de charge de la batterie par rapport à sa capacité totale (en pourcentage) La position du véhicule sur l autoroute en Km La vitesse du véhicule sur l autoroute La charge requise par le véhicule pour atteindre sa destination (en unités de charge) 36

37 Dest_X Urgence Poids_ prix (α) Poids_temps_d attente (β) La position de la destination du conducteur en Km Une valeur booléenne présentant la situation d urgence du conducteur qui exprime sa préférence de type de recharge Le poids exprimant l intérêt du conducteur concernant le prix total de la charge requise Le poids exprimant l intérêt du conducteur concernant le temps d attente dans la file d'une station avant pouvoir se charger Tableau 2 Les caractéristiques d un véhicule 4.1 Influence du prix de la recharge Fig. 10. Scénario de simulation Les deux stations de l autoroute présentent une recharge très rapide. Ils ont presque les mêmes caractéristiques et ne diffèrent que par les prix proposés pour une unité de charge. Nous supposons que la station la plus lointaine (la station 2) propose la meilleure offre en fournissant un plus petit prix pour l unité de charge. Ces deux stations sont configurées selon le tableau 3. Station T_libre Prix Capacité Position_X Type_Recharge Très rapide Très rapide Tableau 3 les configurations initiales de deux stations de recharge de l'autoroute Soit un seul véhicule traversant l'autoroute et supposons qu'à la position 10 km, l agent VE détecte le besoin de communiquer et de coopérer avec le réseau pour se charger. Cet agent diffuse donc des messages demandant de l énergie électrique auprès des stations existantes dans sa portée. 37