Véhicules hybrides compatibles avec l environnement en exploitation commerciale

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1 Véhicules hybrides compatibles avec l environnement en exploitation commerciale Les trains d entraînement hybrides une combinaison de moteur électrique et de moteur à combustion interne diminuent la sollicitation de l environnement due au trafic routier par la réduction des émissions des véhicules. Dans ce domaine, ABB s est acquis une vaste expérience et coopère avec Volvo pour évaluer cette technologie dans le cadre d un essai de trois années effectué avec deux camions équipés d entraînements hybrides. Ces camions travaillent en exploitation commerciale normale à Gothenburg en Suède. Des simulations ont montré que leur consommation de carburant est plus basse et que les émissions provoquées par les camions hybrides sont considérablement plus faibles que celles de camions conventionnels. En outre, les camions hybrides peuvent rouler sans aucune émission dans des zones sensibles. A la fin des années 80, ABB avait commencé l étude de petites installations énergétiques haute vitesse et leurs possibilités d application sous forme d entraînements hybrides. De tels systèmes pouvaient contribuer à diminuer les émissions de CO 2 qui proviennent en majeure partie du trafic routier et qui contribuent fortement à l effet de serre. Les trains d entraînement hybrides une combinaison de moteur électrique et de moteur à combustion interne doivent en premier lieu diminuer les émissions et permettre en même temps de rouler sans aucune émission dans les zones particulièrement sensibles. Ce faisant, de tels véhicules seront aussi capables d atteindre la norme d émission nulle qui sera probablement introduite pour certaines zones urbaines dans un proche avenir. Les véhicules hybrides sont essentiellement prévus pour des transports dans des régions particulièrement sensibles aux gaz d échappement et au bruit des moteurs. Lors du franchissement de telles zones, le conducteur ne doit que commuter l entraînement en mode de marche électrique, pour réduire le bruit et pour interrompre les émissions de substances polluantes. Une première application pratique d un entraînement hybride a été démontrée en 992, après le développement par ABB et Volvo d un véhicule spécial appelé «Environmental Concept Car» ou «ECC» []. Ce véhicule était doté d une turbine à gaz et d une génératrice haute vitesse à entraînement direct. Le même principe fut aussi utilisé plus tard pour deux autres projets: un camion pour services de livraison et un bus [2]. Niclas P. Berg ABB Hybrid Systems Le troisième concept de véhicule hybride vient d être introduit. Actuellement, il est testé par l entreprise de transport TGM AB de la ville de Gothenburg, Suède. Durant une période d essai étalée sur trois ans, l entreprise exploitera deux camions pour son service de livraison régulier de marchandises dans le centre de la ville et sa banlieue. Les essais ont déjà commencé. La consommation de carburant, les émissions et le niveau acoustique sont enregistrés en permanence. D autres aspects sont également étudiés, dont en particulier l acceptation de la nouvelle technologie par le conducteur, le comportement de marche du véhicule dans le trafic quotidien (par ex. les aptitudes d accélération en marche électrique), le besoin de maintenance et d autres détails pratiques. Objectifs du nouveau concept L avantage du nouveau véhicule hybride réside dans le fait que par la commutation en mode de marche électrique 2, le camion peut circuler dans des zones sensibles sans aucune émission, l énergie de propulsion n étant fournie que par les batteries. Ces véhicules sont conçus pour une conduite facile. Aucune connaissance particulière n est requise. Une brève introduction devrait suffire pour une utilisation efficace des aptitudes du véhicule. Dans le concept choisi pour les deux camions en question, un moteur diesel entraîne deux génératrices à aimants permanents, tandis que les roues sont entraînées par deux moteurs à induction à engrenages réducteurs, un arbre de transmission et un différentiel. ABB a fourni le train électrique complet, y compris les équipements de surveillance et de régulation. Véhicules hybrides utilisés pendant la période d essai de trois ans La base des véhicules hybrides est donnée par deux camions de série Volvo FL6, avec les équipements électriques disposés essentiellement le long des côtés des véhicules 3. Par rapport à un véhicule conventionnel, le poids supplémentaire du véhicule hybride est d environ 3 tonnes. Etant donné que ces véhicules doivent être exploités commercialement pendant plusieurs 40 Revue ABB 3/998

2 années, on a utilisé autant que possible des composants et des techniques éprouvés, de haute fiabilité et durabilité. Pour le développement et l évaluation de véhicules hybrides, il est important de collectionner des données de composants acquises sous des conditions d exploitation quotidiennes et réalistes. De telles informations seront fournies par les essais de trois années actuellement en cours. Le projet prévoit que chaque véhicule parcourra une distance d environ 50 km par jour, ce qui correspond à un cycle de distribution urbain typique. Sur une telle distance, 30 km peuvent être accomplis en marche entièrement électrique. Le tableau montre les données principales des véhicules. Train d entraînement Le Volvo FL6 Hybrid est un véhicule hybride de série équipé du train d entraînement montré par 4. Une unité d énergie auxiliaire (APU), constituée d un moteur diesel, de deux génératrices à aimants permanents et de redresseurs, fournit de l énergie électrique à un bus intermédiaire à courant continu. Les deux lignes de batteries sont branchées sur le bus CC via deux convertisseurs CC/CC. Les batteries sont du type nickel-cadmium (NiCd). Ces batteries alimentent également le système de puissance auxiliaire. Ce dernier comprend des chargeurs pour les batteries de 2 et 24 V, ainsi qu un moteur CC pour l entraînement du compresseur des freins et de la servopompe de la direction assistée. Le camion est entraîné par deux moteurs à induction. Les deux sources d énergie (c est-à-dire le moteur diesel et les batteries) peuvent être combinées de différentes façons. La propulsion peut se faire soit en mode électrique, soit en mode hybride. En mode électrique, la puissance est fournie par les batteries. Dans ce cas, le rayon d action et les performances sont limités par la capacité des batteries. Ces dernières sont rechargées lors du freinage, les moteurs d entraînement fonctionnant alors comme génératrices. En mode hybride, le besoin moyen d énergie est fourni par l unité d énergie auxiliaire APU et son excédent est utilisé pour charger les batteries. Pendant les périodes de forte consommation d énergie (par ex. pendant les accélérations), les batteries L un des deux camions équipés d un entraînement hybride et participant actuellement à un essai de trois ans dans la cité de Gothenburg, Suède, où il sert à la distribution de marchandises. Tableau : Caractéristiques principales du véhicule Vitesse maximale 90 km/h Rayon d action en marche électrique 5 30 km Poids total du châssis 8300 kg Poids supplémentaire pour véhicule hybride 3400 kg Charge utile 4600 kg Pente gravissable (à pleine charge) 6% Longueur du véhicule 8,6 m Hauteur du véhicule 3,3 m Revue ABB 3/998 4

3 Les moteurs électriques et les génératrices sont montés dans un cadre dans la partie médiane du véhicule. Les onduleurs sont placés sur le côté droit du camion, tandis que les deux chargeurs de batterie sont montés de part et d autre du véhicule. L électronique de puissance du système d énergie auxiliaire, les convertisseurs CC/CC, l appareil de management du véhicule et les autres appareils électriques se trouvent dans un caisson particulier derrière l essieu arrière. Régulation Lorsque le camion marche en mode électrique, toute l énergie est prélevée sur les batteries. Les convertisseurs CC/CC maintiennent la tension du bus à 600 V. En mode hybride, l énergie électrique des moteurs est fournie par l unité d énergie auxiliaire APU et, si nécessaire, par les batteries. Le flux de l énergie est décrit par la formule ci-après: P eds = P gen + η dcdc (P bat P aux ) () Eléments de conduite dans la cabine du conducteur 2 fournissent un appoint de courant aux moteurs. La régulation du moteur diesel est fonction de la puissance totale requise par le véhicule. Le tableau 2 montre les données techniques du camion Volvo FL6 Hybrid. L appareil de management du véhicule est essentiellement compétent pour la régulation du train d entraînement. Celle-ci s effectue par l influence exercée sur les sous-systèmes en fonction des ordres du conducteur. Une unité d ordinateur pour Tableau 2: Données techniques du train de propulsion hybride Puissance maximale totale des moteurs Tension nominale des batteries Capacité nominale des batteries Puissance de sortie totale des génératrices Puissance maximale du moteur diesel instruments commande les instruments du tableau de bord dans la cabine. Elle forme donc l interface avec l unité de commande du moteur diesel. L unité de gestion de batteries surveille l état de celles-ci et communique aussi avec l appareil de management du véhicule. Le moteur diesel se trouve au même endroit que dans un camion normal. Tous les dispositifs supplémentaires sont placés derrière la cabine du conducteur, sous le pont du camion kw en perm. 370 kw en pointe 2 lignes à 26 V 00 Ah/ligne, 43 kwh au total 0 kw 54 kw à 2400 t/min P eds P gen η dcdc P bat P aux Puissance totale alimentée au système d entraînement Puissance fournie par l unité d énergie auxiliaire Rendement du convertisseur CC/CC Puissance de la batterie Puissance auxiliaire En mode hybride, la tension du bus à courant continu est réglée de manière à se trouver constamment entre 400 et 650 V CC, selon la puissance soutirée par les alternateurs, leur vitesse et leur température. Pour limiter les émissions de bruit au freinage du véhicule aux passages pour piétons ou aux feux de circulation, etc., l appareil de management du véhicule réduit la vitesse du moteur diesel et la puissance des génératrices aux vitesses inférieures à 7 km/h. L appareil de management du véhicule limite la puissance prise sur l unité de puissance auxiliaire à une gamme de 0 0 kw. Une sous-tension de batterie éventuelle est limitée par une limitation graduelle de la puissance de sortie du système d entraînement électrique, lorsque la tension des batteries devient trop basse. Les surtensions de batterie, en mesure de les endommager, 42 Revue ABB 3/998

4 Emplacement des différents composants du train de propulsion et du châssis du camion hybride 3 Pompes à huile 2 Redresseurs 3 Alternateurs 4 Moteurs 5 Transmission 6 Batteries 24 V 7 Moteur diesel 8 Réservoir à carburant diesel 9 Onduleurs 0 Batteries Unité d énergie auxiliaire 2 Caisson HT avec convertisseurs CC/CC 3 Systèmes de refroidissement 4 Batterie 2 V 5 Unité de gestion de batterie sont évitées par la réduction de la puissance maximale de l unité d énergie auxiliaire et de la puissance rétroalimentée par le système d entraînement électrique, lorsque la tension des batteries s élève trop fortement. Le système accorde automatiquement la priorité aux besoins des moteurs électriques (principalement lors des accélérations), plutôt qu à la charge des batteries. Cette méthode permet au conducteur d utiliser complètement le système d entraînement lorsque la situation du trafic l exige ou le permet. Le freinage à récupération, c est-à-dire le freinage avec les moteurs électriques agissant comme génératrices en produisant de l énergie, est utilisé pour obtenir la meilleure économie de carburant possible. Entraînement par moteurs électriques Pour sa propulsion, le camion dispose de deux moteurs à induction refroidis à l eau, avec onduleurs. Les moteurs électriques entraînent l essieu arrière via engrenage de démultiplication, arbre de transmission et différentiel. La puissance permanente des moteurs est de 30 kw. Celle-ci peut atteindre temporairement 350 kw, mais elle est limitée dans cette application par la puissance totale disponible d env. 250 kw. 5 montre le couple maximal mesuré et la puissance de sortie de l un des moteurs électriques accouplé à l engrenage de démultiplication et alimenté par son onduleur. Les rendements mesurés sous ces conditions sont illustrés par 6. Dans la majorité des conditions de circulation, le rendement de l onduleur atteint 97 %, hormis en cas de vitesse de moteur et de couple bas. Système de batteries Les batteries NiCd installées pèsent 940 kg. Leur capacité est de 43 kwh. Un refroidissement à eau assure constamment une température de service efficace. Les batteries sont branchées en deux lignes, avec une tension nominale de 26 V par ligne. Les convertisseurs CC/CC qui relient les batteries et le bus intermédiaire règlent la tension du bus CC indépendamment de la tension momentanée des batteries. Ce faisant, on obtient un point d exploitation optimal pour le travail de l unité d énergie auxiliaire, de sorte que le moteur diesel peut travailler à des vi- Revue ABB 3/998 43

5 Cabine Instruments, ordinateur Accélérateur Clé de contact Mode de marche Frein Arrêt d urgence Ordres du véhicule Unité de gestion de véhicule Chargeur intelligent 400V/50Hz Moteur à combustion interne G Redresseur Bus CC Onduleur IM APU G2 Redresseur Convertisseur CC / CC Système de puissance auxiliaire Convertisseur CC / CC 2 Onduleur 2 IM 2 Système d entraînement électrique B B2 Unité de gestion de batterie Représentation schématique du système d entraînement électrique utilisé sur un camion hybride à moteur diesel 4 APU Unité d énergie auxiliaire G, 2 Alternateurs et 2 B, 2 Batteries et 2 IM, 2 Moteurs à induction et 2 tesses qui assurent de faibles émissions et un rendement maximal, c est-à-dire avec une faible consommation de carburant. L unité de gestion de batteries calcule et transmet les valeurs limites et de consigne à l appareil de management du véhicule. A l aide de l unité de gestion de batterie, le véhicule recherche les conditions d exploitation optimales qui empêchent un vieillissement prématuré des batteries. Cette unité surveille également le chargement des batteries. Un algorithme ampères-heures calcule l état de charge de chacune des batteries. L unité de gestion de batterie développée par Volvo permet aussi d effectuer des modifications incrémentielles, de sorte que différentes situations du trafic ne provoquent pas d altérations subites des performances du véhicule. Par exemple, une limitation du courant des batteries due à une température anormale de celles-ci ne se manifeste pas par un changement subit du couple et donc du comportement du véhicule. Le fonctionnement de l unité de gestion de batterie est illustré par 7. Les batteries du véhicule sont chargées via réseau par un appareil connu sous la désignation «Smartcharger». Il s agit en principe d un chargeur de bord, mais avec la différence qu aucun chargeur particulier ne se trouve à bord. En lieu et place, on utilise des composants du train d entraînement pour la charge via réseau. Pour la charge, on a besoin d un branchement triphasé de 400 V d au moins 6 A. La charge commence automatiquement lorsque le véhicule est branché au réseau et s achève lors de l interruption du branchement, ou lorsque l unité de gestion de batterie indique que les batteries sont chargées. Unité d énergie auxiliaire L unité d énergie auxiliaire est branchée sur le bus CC à l aide des redresseurs des génératrices. Par rapport aux moteurs à essence, le rendement du moteur diesel est élevé et les frais de carburant sont bas. Le moteur des camions en exploitation d essai est un turbomoteur diesel standard de 6 litres, à 6 cylindres à injection directe, tel qu utilisé sur le camion FL6 normal. Sa puissance maximale atteint 54 kw à 2400 min -. Il est équipé d un filtre à régénération continue monté sur l échappement. Ce filtre réduit la teneur en hydrocarbure (HC) des gaz d échappement à environ 20 %, celle du monoxyde de carbone (CO) à moins de 0 % et celle des particules en suspension à un quart des valeurs équivalentes de moteurs sans filtre. Un autre avantage de ce filtre réside dans sa diminution du bruit. 44 Revue ABB 3/998

6 Les génératrices sont des machines synchrones triphasées à aimants permanents refroidies à l eau. Elles sont accouplées au moteur diesel par un engrenage. Les génératrices peuvent produire 55 kw à env. 550 V, à une vitesse de 6000 min -, ce qui correspond à la vitesse du moteur diesel de 700 min -. 8 montre les courbes de puissance et de rendement estimées. Les valeurs mesurées sur la puissance de sortie correspondent très bien aux valeurs calculées. Comme on peut le constater, les génératrices travaillent avec un rendement supérieur à 94 %. Les pertes dans les redresseurs sont inférieures à %. T Nm kw min Couple de sortie maximal T et puissance P mesurés en fonction de la vitesse pour un moteur n P 5 Mesures et simulations Les valeurs de mesure de la puissance de sortie totale du système d entraînement électrique, des génératrices et des batteries en fonction de la vitesse du véhicule exploité en mode hybride sont montrées par 9. La puissance des génératrices suit la valeur de consigne de la charge du moteur. Les batteries sont chargées par les génératrices, hormis lorsque le besoin d énergie des moteurs est supérieur à celui fourni momentanément par les génératrices. Dans ce Rouge Puissance maximale Bleu foncé Couple maximal Bleu clair Puissance permanente Vert Couple permanent cas, les batteries fournissent de l énergie, par ex. pour supporter une accélération. Economie de carburant et pollution de l environnement Lors de la détermination des spécifications du véhicule hybride, les considérations écologiques avaient la préséance par rapport aux économies de carburant. Volvo a effectué des simulations de performances permettant de comparer le véhicule hybride et un camion conventionnel effectuant les mêmes courses de distribution, avec des charges utiles approximativement égales. 0 montre les valeurs simulées de la con- Rendement mesuré d un moteur avec engrenage, avec alimentation du moteurpar son onduleur n Vitesse T Couple 6 L unité de gestion de batterie calcule et transmet les valeurs limites et de consigne des batteries à l appareil de management de véhicule T Nm Batteies Batteries 2 tensions 2 courants 2 températures 4 entrées numériques Entrée numérique, touche ou ligne principale UGB Sortie num., validation du refroidissement Liaison série Liaison série AMV Terminal n min Revue ABB 3/998 45

7 η 96.0 % kw 80 P Rendement de l alternateur η en fonction de la puissance de sortie P, calculé pour différentes vitesses 4500 min min min min - sommation de carburant et des émissions pour une distance totale de 7 km (resp. de 40 km) par jour, dont 5 km en mode électrique, avec les batteries chargées chaque nuit avec 39 kwh. Les calculs montrent que la consommation de carburant et les émis- Vitesse du véhicule n, puissance de sortie des moteurs électriques et à combustion interne, des batteries et des alternateurs du camion hybride Volvo FL6 n Vitesse du véhicule P Puissance de sortie t Temps P,n Speed n (km/h) P gen (kw) P batt (kw) P eds (kw) s 50 t 8 9 sions de d oxydes d azote (NO x ) sont plus basses dans le cas du véhicule hybride que pour un camion conventionnel. Deux types principaux de véhicules hybrides De manière générale, les véhicules hybrides peuvent être subdivisés en deux types: véhicules hybrides série et véhicules hybrides parallèles. Dans les véhicules hybrides série, les roues sont toujours entraînées électriquement. Les sources d énergie de ce type de véhicules est un moteur à combustion interne quelconque (par ex. turbine à gaz, moteur diesel ou à essence), accompagné d une unité d accumulation d énergie (par ex. sous forme de batteries ou de volant). Etant donné que les roues sont toujours entraînées électriquement, les moteurs électriques doivent toujours être dimensionnés pour les performances maximales du véhicule, en tenant compte des accélérations, de la vitesse de pointe, etc. Le moteur à combustion interne peut être dimensionné pour le besoin de puissance moyen du véhicule et devient ainsi plus petit que s il entraînait directement les roues. Le bilan énergétique requis par tout le système électrique s applique également aux véhicules hybrides. En cas de demande de puissance élevée, l unité d accumulation d énergie fournit la puissance d appoint. Lorsque la demande d énergie est faible ou lors d un freinage à récupération, l unité d accumulation d énergie est rechargée. Dans le cas des véhicules hybrides parallèles, les roues sont entraînées électriquement et/ou directement par le moteur à combustion interne, vu que le moteur électrique et l autre moteur sont accouplés mécaniquement aux roues du véhicule par le même système de transmission. Les transmissions de ce type deviennent techniquement relativement compliquées. Les sources d énergie et les équipements d accumulation d énergie sont les mêmes que ceux des véhicules hybrides série. Dans les systèmes hybrides parallèles, il est usuel de dimensionner le moteur à combustion interne pour la puissance entière du véhicule, tandis que le moteur électrique est conçu pour les puissances plus basses. Le bilan énergétique est traité de la même manière que pour les véhicules hybrides série. 46 Revue ABB 3/998

8 Il est difficile de savoir exactement quand un véhicule hybride série est préférable à un véhicule hybride parallèle et comment dimensionner l accumulateur d énergie. Le choix peut s effectuer en se fondant sur une simulation du système, en tenant compte de différentes exigences, par exemple: Dans les zones qui ne tolèrent pas d émissions, doit-on donner la priorité au rayon d action ou à la puissance? Sous quelles conditions ambiantes (zones sensibles, exploitation de nuit, etc.) le véhicule doit-il servir? Pour les véhicules livrés par ABB Hybrid Systems, on a retenu la solution hybride série, vu que les exigences à l exploitation sans émissions étaient très sévères (les véhicules sont utilisés pour le service de distribution de marchandises, avec chargement et déchargement dans la cité) et que ces véhicules n étaient pas appelés à circuler pour de longues distances sur autoroute. L exigence d émissions nulles signifie aussi que les batteries doivent être dimensionnées en fonction de la demande d énergie (rayons d action) et non pas en fonction du besoin de puissance (énergie supplémentaire), mais sans amoindrir les aptitudes d accélération. Conclusion et perspectives Un objectif du développement du camion hybride résidait dans le développement d un train de propulsion électrique construit par ABB sur un véhicule de série. En mode hybride, le moteur diesel travaille à des vitesses qui fournissent un rendement optimal (c est-à-dire en consommation de carburant) et avec de faibles émissions. En outre, en mode hybride, le besoin moyen d énergie est fourni par l unité d énergie auxiliaire et l excédent sert à charger les batteries. Dès qu une puissance supplémentaire est requise, celle-ci est fournie par les batteries. Les simulations montrent que la consommation de carburant est plus basse et que les émissions sont très fortement inférieures à celles d un véhicule conventionnel. La possibilité de rouler sans aucune émission constitue un avantage supplémentaire. Les deux véhicules utilisés pour un essai de trois ans fourniront de précieuses données acquises en exploitation commer- Comparaison des valeurs simulées des émissions et de la consommation de carburant d un camion Volvo FL6 conventionnel et d un camion hybride construit sur le même châssis. On a simulé des courses de distribution typiques dans une zone citadine. a b c n n Camion Volvo FL6 de série, 000 kg Camion Volvo FL6 hybride, kg, 7 km/jour, chargé avec 39 kwh de nuit Camion Volvo FL6 hybride, kg, 40 km/jour, chargé avec 39 kwh de nuit Orange Bleu Jaune Vitesse en km/h Consommation de carburant (litres/00 km) Vitesse moyenne (km/h) Emissions de NO x (g/km) ciale et sous des conditions réalistes. L un des objectifs de l exploitation d essai consiste à déterminer l acceptation de la nouvelle technique par les utilisateurs. Par ailleurs, les expériences acquises montreront quelles parties du système hybride doivent encore être perfectionnées. Le supplément de poids des véhicules par rapport à un camion Volvo FL6 conventionnel dépasse légèrement 3 tonnes. Ce dépassement provient du poids supplémentaire du train de propulsion, y compris les batteries. A plus longue échéance, ce poids sera réduit par le perfectionnement des composants. Le camion hybride FL6 a une charge utile de 5 tonnes. Le poids supplémentaire n influence pas le volume utile du pont du véhicule, de sorte que ce véhicule de livraison peut être utilisé sans réserve pour sa charge utile. Actuellement, les trains de propulsion électriques sont chers. Ce fait est pourtant surtout imputable au fait que ses composants sont produits en petites séries. Par une production de masse, les coûts seront très fortement réduits. Des études ont mon a b c 4.7 tré qu à l avenir, le prix d un train de propulsion électrique ne sera pas plus élevé que celui d un système conventionnel. Bibliographie [] Chudi, P.; Malmquist, A.: Entraînement hybride pour automobile. Revue ABB 9/93, 3 2. [2] Chudi, P.; Malmquist, A.: Groupe propulseur hybride à faibles émissions de substances nocives pour camions et autobus modernes. Revue ABB 6/7-96, 2 8. Adresse de l auteur Niclas P. Berg ABB Hybrid Systems S Västerås Suède Téléfax: niclas.p.berg@sehyb.mail.abb.com 0 Revue ABB 3/998 47