UNIVERSITE LIBANAISE FACULTE DE GENIE BRANCHE 1 CONTRIBUTON AU DEVELOPEMENT D UN SIMULATEUR DE VEHICULE ELECTRIQUE Rapport de Projet de Fin d Etude Génie Électrique Électronique Option informatique industrielle. Réalisé par Ahmad MASSAADEH Sous la direction de Dr. Khadija EL-KADRI Effectué, de 1 Mars à 30 Juin 2012, Au Laboratoire Electromécanique de Compiègne (LEC) De l'université de Technologie Compiègne (UTC) Soutenu devant le Jury : Dr. Chaiban HAYKAL Dr. Nazih MOUBAYED Dr. Amer FAYDALLAH
REMERCIEMENTS Avant de commencer, je souhaite remercier les personnes qui ont rendu ce PFE possible, toutes ceux avec qui j ai travaillé durant ces 4 mois et ceux qui ont accompagné et aidé à valoriser mon expérience. Je remercie tout particulièrement : Guy FRIEDRICH, directeur du LEC, de m avoir accueilli et d avoir mis à ma disposition tous les moyens nécessaires au bon déroulement de mon projet de fin d étude. Je remercie également Mme Khadija EL-KADRI, qui m a suivi et encadré sur les aspects scientifiques, pratiques et expérimentaux avec une grande compétence. Je lui suis profondément reconnaissant pour son aide, ses conseils pertinents et son confiance. Je voudrais exprimer ma plus sincère gratitude à M. Christophe FORGEZ qui a bien voulu assurer la responsabilité de mon stage et qui, surtout, par ses conseils et son aide précieuse, m a guidé tout au long de mon travail. Je tiens à remercier et à témoigner toute ma reconnaissance à M. Loïc CHARBONIER, pour l expérience enrichissante et pleine d intérêt qu il m a fait vivre durant ces 4 mois au sein du Laboratoire. Je remercie également de manière générale toute l équipe du LEC pour leur bonne humeur, leur gentillesse et leur accueil chaleureux. Je tiens à adresser à les membres du jury, mes sincères remerciements pour leur lecture, leur présence aujourd hui et les remarques qui viendront enrichir ce travail que j aurai plaisir à partager et discuter avec eux. Enfin, je garde une place très particulière à mes enseignants dans le département génie électrique de l université Libanaise faculté de génie branche 1 pour leur aide, leur support et leur soutien tout au long des cinq ans de mon diplôme. I
PRESENTATION DE L ORGANISME D ACCUEIL Le stage se fait au sein du Laboratoire d Electromécanique de Compiègne (LEC), Ce laboratoire est l une des 9 équipes reconnues (EA 1006) de l UTC, composée exclusivement de membres appartenant à la 63ème section du CNU (Génie Electrique) et dont le domaine applicatif essentiel dans la classification AERES est le "transport". Cette unité, créée à l'origine de l'établissement, s'articule autour de 9 enseignants-chercheurs, 3 personnels administratif et technique pour un effectif moyen au cours du quadriennal de 20 personnes et un budget consolidé annuel de 700k. Ce laboratoire s'est fixé comme objectif de travailler sur un axe de recherche unique : «Actionneurs électriques pour systèmes de motricité à énergie embarquée» L'originalité du laboratoire est de disposer, au sein d'une équipe unique, d'une maîtrise des compétences nécessaires à la conception d'actionneurs électriques, tant sur les aspects «machines électriques», qu «électronique de puissance», «contrôle» et «alimentation». Positionnement du Laboratoire D Electromécanique de Compiègne (LEC) Au niveau de la recherche L'établissement a récemment restructuré ses axes d'innovation qui sont dorénavant au nombre de quatre. Le LEC est très clairement affiché sur l un d entre eux : Au niveau de l'enseignement "Transport intelligent propre et sûr" Le positionnement des enseignants-chercheurs du laboratoire au niveau de l'enseignement est plus transversal, dans la mesure où l'établissement n'affiche pas un enseignement de Génie Electrique "pur" dans son offre de formation. Formation doctorale Au niveau de la formation doctorale (ED71), le laboratoire appartient au champ disciplinaire TIS: "Technologie de l'information et des Systèmes". Ce champ disciplinaire est commun à 3 laboratoires. Le laboratoire HEUDIASYC, le LMAC (Laboratoire de Mathématiques Appliquées de Compiègne) et le LEC. Les mots-clefs de ce champ disciplinaire sont : décision, intelligence artificielle, automatique, optimisation, électromécanique. Le LEC aborde les mots-clefs : électromécanique, optimisation et automatique. Formation d'ingénieur Au niveau de la formation d'ingénieur, les enseignants-chercheurs du LEC sont rattachés au Génie Mécanique. Ils interviennent au niveau de la formation de base en électronique, électromagnétisme et automatique. Ils sont également responsables d une Filière spécifique du Génie Mécanique : "Mécatronique, Actionneurs, Robotisation et Systèmes" (MARS). II
Formation de Master Les flux issus de la formation MASTER à l'utc demeurent modestes. Néanmoins, les enseignants du laboratoire sont impliqués dans l'enseignement de quatre UE dans le cadre du Master Systèmes Mécatroniques. Positionnement au niveau national De manière tout à fait naturelle, le LEC est présent dans le GDR SEEDS 1 (Système d'energie Electrique dans leur Dimension Sociétale). Sa présence au sein du GDR est ciblée sur le socle «Méthodes et méthodologies» et sur le thème «Transport». La reconnaissance universitaire du laboratoire se matérialise également par les participations "classiques" de ses membres à des comités de sélections, des expertises (ADEME, ANR, ANRT, privées ), à la contribution à des comités de lecture ou des comités scientifiques. Ces différents éléments sont détaillés dans les fiches individuelles des membres. Au niveau international La présence internationale du LEC se situe essentiellement au travers de la participation à des comités scientifiques de congrès internationaux et à des comités de lecture de revues internationales. Le laboratoire participe, en collaboration avec le laboratoire HEUDIASYC, à l'accueil de stagiaires dans le cadre d'un programme d'échange avec le Liban. Il contribue également au projet de Master franco-allemand en Mécatronique. On notera également la participation à des missions d études internationales au sein du Pôle de Compétitivité MOVEO. 1 Le GDR SEEDS est le groupement des 27 laboratoires français de Génie Electrique. III
RESUME Le travail présenté dans ce rapport a été effectué dans le cadre du projet de fin d études de formation d ingénieurs d électricité option informatique industrielle et Control à l Université Libanaise, Faculté de génie, Branche 1 (ULFG1 ) Ce projet de fin d études a été réalisé entre 1 Mars et 30 Juin 2012 au sein du laboratoire d électromécanique de Compiègne LEC, et ce dans le cadre d une coopération entre ULFG1 et l UTC. Le projet se situe dans le cadre de développement d un simulateur de véhicule électrique en temps réel. Mon rôle dans ce projet se résume dans plusieurs tâches ; réaliser une étude bibliographique des différents simulateurs existants des véhicules électriques et proposer un modèle dynamique simple du véhicule implantable en temps réel sur une carte dspace et de participer à la mise en place d un banc d essai pour un pack des batteries (mise en sécurité du pack, instrumentation, préparation des essais du pack batterie dans l environnement SIRTEX). IV
ABSTRACT The work presented in this report has been realized in the context of Graduation project for electrical engineering studies, Industrial informatics and Control option at the Lebanese University, Faculty of engineering, Branch 1. This graduation project has been realized between 1 March and 30 June 2012 in the LEC laboratory in Compiegne, within cooperation between the ULFG1 and UTC. The project is about the development of an electric vehicles simulator in real time. My role in this project is summarized in several tasks; perform a literature review of different existing simulators for electric vehicles and propose a simple dynamic model of the vehicle that is implantable in dspace card for real time simulation and participate in the preparation of a bench test for a pack of batteries (security system preparation for the pack, instrumentation, preparation for testing the battery pack in the SIRTEX environment). V
TABLE DES MATIERES REMERCIEMENTS... I PRESENTATION DE L ORGANISME D ACCUEIL... II RESUME... IV ABSTRACT... V TABLE DES MATIERES... 1 INTRODUCTION ET CAHIER DE CHARGES... 3 CHAPITRE I ETAT DE L ART... 5 I.1. Outils de Simulation... 5 CHAPITRE II VEHlib ET IMPLEMENTATION DANS dspace... 12 II.1. Introduction... 12 II.2. les différents composants du véhicule dans VEHlib... 12 II.2.1. Le Conducteur... 12 II.2.2. Le Calculateur... 12 II.2.3. Batterie... 14 II.2.4. Machine électrique... 15 II.2.5. Le Réducteur... 16 II.2.6. Véhicule... 16 II.3. Validation du fonctionnement du VEHlib en temps réel... 17 CHAPITRE III PARTICIPATION A LA MISE EN ŒUVRE DES ESSAIS... 19 III.1. Introduction... 19 III.2. erreurs de mesure de la tension aux bornes des résistances par dspace... 19 III.2.1. L erreur due à la Résolution d ADC du dspace :... 19 III.2.2. L erreur due à la précision des résistances... 19 III.2.3. L erreur liée à la variation de la température... 21 III.2.4. Essai sur dspace... 22 III.3. Etude de l erreur de mesure au niveau de la batterie... 25 III.4. Raccordement de la batterie... 26 III.5. Réalisation de la Carte pont diviseur... 28 III.6. Réalisation de la Carte sécurité... 29 III.6.1. Composants de la Carte... 29 1
III.6.2. Fonctionnement de la carte... 30 CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES... 32 BIBLIOGRAPHIES... 33 ANNEXE A : Calcul de l erreur des résistances... 34 ANNEXE B : Valeur des Résistances pour le pont diviseur... 36 ANNEXE C : Paramètres du véhicule électrique dans VEHlib... 37 ANNEXE D : Documentation VEHlib... 39 ANNEXE E : Vues des Connectiques... 44 2
INTRODUCTION ET CAHIER DE CHARGES L e véhicule électrique est apparu très tôt dans l histoire de l automobile, les premiers datent des années 1830 Jusqu à la fin du 19 ème siècle, la plupart des automobiles étaient électriques. En plus d être écologiques, elles étaient plus performantes et plus silencieuses que leurs rivales. Ce n est qu au début du 20 ème siècle que la voiture à essence connaît un succès plus important. Les voitures électriques de cette époque avaient une faible autonomie, et les batteries ne permettaient pas au moteur de délivrer autant de puissance qu un moteur thermique. Du début à la fin du 20 ème siècle, l évolution de la voiture électrique a été très lente. Seules les quinze ou vingt dernières années ont apporté des progrès réels. Ils concernent principalement le stockage de l énergie, avec l apparition sur le commerce des premières batteries au Lithium-Ion. On compte quelques autres évolutions minimes, mais pas de révolution technologique. Dès que l on commence à s intéresser au véhicule électrique, on n en entend que du bien. On parle de son silence et de sa simplicité, avant de mettre en avant sa propreté et son respect de l environnement. On nous explique à quel point la conception d un véhicule entièrement électrique est simple et logique, et que nous possédons depuis longtemps les moyens technologiques nécessaires à sa réalisation. Sur le papier, il semble que le véhicule électrique ait tout pour réussir. Malgré le progrès réel récent du véhicule électrique et hybride, sa diffusion reste limitée par un manque de connaissances du comportement fin des batteries d'accumulateurs, particulièrement en termes de sécurité et de vieillissement. Les tests sur véhicules réels sont, en outre, coûteux et délicats. Dans ce contexte le LEC s'est doté d'équipement original SIRTEX qui permet une simulation numérique de l'ensemble du véhicule hors batterie et système de gestion et de protection rapprochée (BMS). En d'autres termes, seuls la batterie et son système de gestion sont réels et le comportement du véhicule est calculé par son modèle virtuel (numérique). Figure 1 : Projet SIRTEX 3
Mon rôle dans le projet est d abord, proposé un modèle dynamique simple du véhicule pour l implanter sur carte dspace puis préparer un pack batterie pour réaliser des essais en puissance sur le banc. On est plus intéressé dans ce projet sur la batterie et sur les mesures au niveau de chaque cellule pour cela dans le cadre de la préparation de l acquisition, il faut concentrer le travail sur l étude sur les différentes erreurs qui peuvent s introduire dans la chaîne de mesure. Le travail s'articule autour de 4 parties: Analyse bibliographique faisant un point sur l'état de l'art des modèles ou logiciels de simulation dynamique de véhicules. Implantation sur carte dspace du choix effectué à partir de l'analyse bibliographique. Contribution à l'intégration dans l'environnement de puissance (des mesures seront à réaliser avec la prise en main d un système d acquisition et la gestion de la sécurité du système). Contribution aux essais préliminaires. Ce document présente de manière détaillée le travail effectué lors du 4 mois de stage, il s organise de la manière suivante : le chapitre 1 est consacré à l étude bibliographique des différents logiciels de simulation dynamique de véhicules ; le chapitre 2 détaille les différents parties du modèle de véhicule dans VEHlib ainsi son implémentation sur dspace ; le chapitre 3 présente la mise en œuvre des essais et la préparation du pack batterie. 4
CHAPITRE I ETAT DE L ART I.1. Outils de Simulation Les éléments constitutifs d un véhicule électrique sont : Les batteries, Convertisseur de puissance, Chaine de transmission, et le Moteur électrique. Plusieurs logiciels ont été développés pour modéliser et simuler le véhicule, parmi ces logiciels nous trouvons : o Advisor 2002 o Dymola o Simulation X o GT-suite o AMESim o Saber o VEHlib Advisor ADVISOR (ADvanced VehIcle SimulatOR) a été créé en 1994 par le département Américain de l énergie dans le laboratoire d énergie renouvelable national NREL (National Renewable Energy Laboratory). [1] C est un logiciel de simulation de véhicules conventionnels ou hybrides sur des cycles normalisés, tel le cycle NEDC ou sur un parcours routier personnalisé, Il utilise l'environnement MATLAB et le contrôle de Simulink pour les simulations. Il prend en compte la vitesse requise pour suivre le cycle d'essai et détermine alors la puissance, la vitesse de rotation et le couple nécessaire que doit fournir le groupe motopropulseur afin de suivre la consigne. Les émissions polluantes, la consommation de carburant, l'état de charge des batteries, l'accélération, la capacité à gravir les pentes et l'analyse de la répartition des consommations énergétiques sont alors calculés. [2] Le logiciel est constamment amélioré en utilisant la rétroaction des utilisateurs et des conférences périodiques des utilisateurs. [1] 5
Figure 2 : Schéma block Advisor/Simulink d un Camion Bi-Mode Dymola Dymola (pour Dynamic Modeling Laboratory) est un outil complet pour la modélisation et la simulation de systèmes complexes utilisés en automobile, aéronautique, robotique et autres applications. L'environnement de Dymola utilise le langage de modélisation libre Modelica, ce qui signifie que les utilisateurs ont le choix entre créer leurs propres bibliothèques de modèles et modifier les bibliothèques prêtes à l'emploi, qui s'adaptent ainsi mieux à leurs besoins spécifiques en modélisation et simulation. Sa flexibilité en fait un outil polyvalent parfait pour la modélisation de conceptions et technologies nouvelles ou en alternative. 6
Figure 3 : Modèle d un véhicule Power-split hybride dans Dymola La simulation en temps réel avec Dymola donne la possibilité d'exécuter les tests HIL (Hardware in the loop) sur les Plates-formes communes comme Dspace, RT-LAB, xpc Target et Crama. [4] La combinaison entre la bibliothèque «Smart Electric Drives» et «PowerTrain» permet de modéliser et simuler les véhicules hybride-électrique ou les véhicules électrique seuls. [5] Dymola est ouvert pour les modèles définis par l'utilisateur. [4] Le prix pour un nœud verrouillé d une licence universitaire pour Dymola est 978 et il faut ajouter une redevance annuelle pour le soutien et la maintenance de 196. SimulationX Le logiciel SimulationX modélise l interaction des composants d un système multi-physiques pour en simuler le comportement dynamique et/ou statique et propose une solution globale pour la conception et le test de systèmes mécatroniques. SimulationX, logiciel de modélisation multi-physique d ITI, est dédié au développement, à la conception et à l optimisation des systèmes, sous-systèmes et composants, Il permet de modéliser l interaction des composants d un système multi-physiques pour en simuler le comportement dynamique et/ou statique. Il intègre également les lois de contrôle (continu ou discret) du système étudié, ce qui le différencie des autres approches en CAE (Computer aided engineering ou Ingénierie assistée par ordinateur). [6] Il est 100% compatible avec le langage de modélisation Modelica. Les modèles de la librairie standard Modelica ou celles purement basée sur la définition du langage Modelica peuvent être intégrées dans SimulationX. [12] Les modèles sont exportables sur diverses plateformes HIL telles que Dspace1006 ou National instruments. [14] 7
Le prix de la licence Education de SimulationX Release 3.5 est à 550 (pas faite pour réaliser un projet industriel si l industriel n est pas équipé), Le prix du module d export direct vers dspace (DS1006) est à 4000. GT-SUITE GT-SUITE est un produit de Technologies Gamma (GTI), une société de logiciels spécialisée qui est uniquement axé sur l'industrie des moteurs et des véhicules. GT-SUITE gère, en un seul outil logiciel, une grande variété d'applications véhicules et des moteurs techniques. Il s agit notamment de : la modélisation des performances du moteur, SIL et HIL et de simulation en temps réel, dynamique des véhicules (cycles d entrainement, chaines cinématiques), gestion de l énergie du véhicule GT-SUITE propose un ensemble d'outils polyvalents pour la simulation de véhicules Hybride électrique (HEV) ou électrique seule (EV), de chaînes cinématiques, ainsi que les systèmes de contrôle et des stratégies de contrôle qui sont essentiels pour le fonctionnement de ces véhicules. Un ensemble de composants électromécaniques (HEV périphériques de stockage et de l'énergie) sont fournis et peuvent être combinés avec des véhicules, moteurs électriques et de contrôle des bibliothèques pour créer des modèles complets et intégrés de HEV ou EV véhicules et organes de transmission [8]. Les modèles temps réel GT-SUITE de Gamma Technologies sont à présent disponibles sur les systèmes Hardware-in-the-Loop (HIL) de dspace. [13] Le prix de la licence Education de GT-SUITE par ans est 4200$ AMESim LMS Imagine.Lab AMESim (anciennement AMESim) est un logiciel de simulation pour la modélisation et l'analyse de systèmes 1D multi-domaines. Le logiciel offre une suite de simulation 1D pour modéliser et analyser les systèmes intelligents multi-domaines et prédire leur performance multidisciplinaire. [9] Le logiciel AMESim a été développé par la société Imagine en 1994. La société Imagine a été rachetée en juin 2007 par la société LMS International. [10] La dernière version LMS Imagine.Lab AMESim 11 a été publiée en novembre 2011. AMESim donne la possibilité d'exporter des modèles AMESim à un environnement en temps réel comme RT-LAB et Dspace pour effectuer la simulation HIL. [9] La simulation en temps réel avec AMESIM est plus simple et plus rapide. [12] Pour créer un modèle de simulation système dans AMESim, un grand nombre de bibliothèques peuvent être utilisées avec des composants prédéfinis à partir des différents domaines physiques. Le vaste ensemble de bibliothèques disponibles supprime le besoin de rédiger du code et il permet aux équipes de développement de mettre au point des modèles de systèmes complexes qui couvrent plusieurs domaines physiques simultanément. [9] SABER Saber de Synopsys est un environnement de modélisation et de simulation puissant, servant à simuler, analyser et vérifier les interactions système entre les différents domaines physiques (électrique, magnétique, mécanique, thermique, hydraulique, etc.). Grâce à ses analyses complexes 8
dans les domaines temporel et fréquentiel, à ses bibliothèques de modélisation complètes, à ses outils de modélisation multi langages, et à son analyseur de signaux puissant, les concepteurs peuvent utiliser les techniques de "conception robuste", pour optimiser la performance, la fiabilité et le coût de leurs designs. Eprouvé en production sur des milliers de designs sur différents marchés, le simulateur Saber est l une des solutions préférées des équipes de conception du monde entier, pour réduire au minimum les coûts de développement, diminuer le nombre d itérations de conception, et améliorer la fiabilité. [15] Il existe de nombreux logiciels de simulation de systèmes en fonction du temps, cependant Saber est le seul qui a : Une technologie mixte (digitale - analogique), Un langage de script associé, Une saisie de schéma, Un post processeur remarquable, Une liberté de modélisation unique, Une robustesse prouvée et reconnue, Une vaste bibliothèque de modèles. [16] La dernière version de Saber a été publiée en Septembre 2011 et la Co-simulation avec Simulink 32-bit et 64-bit était incluse dans cette version. VEHlib Il s agit en fait d une bibliothèque de modèles développés par le Laboratoire Transports et Environnement (LTE) de l INRETS en 1998. L objectif de ces modèles est de simuler le comportement dynamique ainsi que la consommation énergétique d un véhicule. L intérêt de cette approche pour estimer cette consommation est qu elle s appuie sur l analyse du fonctionnement du véhicule et les caractéristiques des différents organes qui le composent, souvent fournies par le constructeur. On évite alors les calibrages gourmands en données ou les calculs de variables aléatoires. Cette bibliothèque est composée de trois grandes catégories : Les composants, Les cinématiques, Les utilitaires. Chaque composant (batterie, moteur, embrayage, etc.) constitue un module qu il suffit ensuite d assembler à l aide d une interface graphique développée avec la toolbox Simulink de Matlab. Ces modules sont déclinés selon différents niveaux de modélisation en fonction de la précision souhaitée. Une fois ces modules assemblés, il suffit d entrer les différents paramètres propres au véhicule que l on souhaite modéliser. Il est à noter que si l on modifie la structure d un composant, tous les modèles de véhicules utilisant ce composant tiendront automatiquement compte de la modification. La cinématique vient se placer en entrée du modèle. Elle est interprétée comme une consigne que le véhicule doit adopter. Elle se présente sous la forme d un profil de vitesse en fonction du temps ou de la distance parcourue. Il peut aussi bien s agir d un cycle normalisé (comme un cycle MVEG) que d une mesure réelle. Enfin, les utilitaires s utilisent en sortie du modèle pour déterminer par exemple la consommation énergétique ou les émissions de polluants. Cette bibliothèque de modèles présente l avantage d une grande facilité d utilisation. Sa modularité permet en effet d utiliser ensemble des modèles issus de domaines assez différents (électronique, mécanique, thermique ). L interface graphique est assez intuitive pour en permettre l utilisation par un non-initié. En outre, il est très facile de construire un nouveau véhicule à partir d un modèle existant, par exemple pour passer d un véhicule thermique à un véhicule hybride parallèle. 9
Figure 4 : un modèle de véhicule de la bibliothèque VEHlib Cette bibliothèque a de plus été développée afin d être utilisée, entre autre, en temps réel lors de simulations de transmissions hybrides sur un banc d essais dynamique. Aussi, elle ne présente pas l inconvénient d un temps de calcul significativement plus important. C est pourquoi nous allons retenir cette solution dans notre étude. [17] Conclusion À l'issu de ce chapitre, nous avons fait un point sur les logiciels de simulation dynamique des véhicules les plus réputable. Les critères qui nous intéressent peuvent se regrouper dans le tableau suivant. Tableau 1 : les différents Simulateurs avec leurs critères ADVISOR VEHlib Dymola SimulationX GT Suite Saber AMESim HIL Non OUI OUI OUI OUI NON OUI Cout Gratuit Gratuit 978 +196 /a 550 3K /a Non spécifié Non spécifié Cout des modules X X X 4K X X NS Langage SL SL Model. Model. Fortran MAST C /C++ Ouverture Module **** **** X X X X X Facilité de prise en main **** ***** * * * ** ** Développement modèles OUI OUI OUI NON OUI OUI NON propres Compatibilité Dspace OUI OUI OUI DS1006 OUI NON OUI Suivi Logiciel 2003 X 2012 NOV 2010 OCT 2011 SEP 2011 NOV 2011 Remarque: Le cout de chaque simulateur et de ses modules est obtenu par demande de devis. 10
Après l étude fait on a choisi d utiliser VEHlib pour l implémentation du modèle dynamique dans dspace. Les critères qui nous ont ramenés à choisir VEHlib étaient sa simplicité, sa gratuité et le plus important était son langage de programmation (SIMULINK) qui facilite son implémentation dans une carte dspace. 11
CHAPITRE II VEHlib ET IMPLEMENTATION DANS dspace II.1. Introduction Dans ce chapitre je présente premièrement les différents blocs qui modélisent un véhicule électrique dans VEHlib avec les équations qui décrivent ces blocs et dans un second temps je présente un exemple d implémentation du VEHlib dans une carte dspace ds1006. II.2. les différents composants du véhicule dans VEHlib Figure 5 Figure 5 : Schéma Block d'un Véhicule électrique dans VEHlib II.2.1. Le Conducteur Le conducteur n est autre qu un simple correcteur proportionnel avec gain = 800. Il prend comme entrée la vitesse demandé pour nous fournir la consigne du couple demandé. II.2.2. Le Calculateur Le calculateur a 3 entrées (le couple demandé, tension de la batterie et la vitesse du moteur), son rôle est de calculer les deux consignes ; consigne couple moteur et consigne freinage mécanique. 12
Calcul de la consigne freinage mécanique Pour calculer la consigne du freinage mécanique on s intéresse au couple de freinage demandé et le couple de freinage électrique. Le freinage mécanique est une partie du freinage demandé qui ne peut pas être assuré par le freinage électrique donc c est la différence entre le freinage demandé et le freinage électrique. Voir Annexe C pour les différents paramètres et variables dans les équations Freinage Le bloc «freinage» calcule le freinage total demandé, les freinages avant et arrière en fonction de l Effort_roue. (Effort_roue = ) Freinage total demandé = Min (effort roue, Masse*g*coefficient d adhérence) Couple de freinage demandé = freinage demandé * (- Rpneu) Pour calculer les freinages avant et arrière, il faut calculer le rapport D où frein_avant = Freinage total * Fr_av frein_arrière = Freinage total *(1- Fr_av) Limitation Batterie Figure 6 : Schéma Block du Calculateur qui nous donne par interpolation 1D un coefficient Fr_av. Le bloc «limitation batterie» a pour rôle de calculer les couples maximum et minimum du moteur en fonction des entrées du calculateur. R moteur est le rendement du moteur 13
I traction = I max I accessoires avec I max = I batmax *nbranchepar I récupéré = I min I accessoires avec I min dépend de la consigne du couple si Consigne couple > 0 I min = I batmin *nbranchepar Si Consigne couple < 0 I min = [I batmin + ( U bat_lim_cons )]*nbranchepar Le nouveau consigne couple de freinage électrique est la valeur maximale entre la valeur du couple moteur minimum, du couple de freinage avant et du couple de freinage électrique ancien. Calcul de la consigne couple moteur Si Consigne vitesse > 10 e-13 : C* moteur = Min (Couple maximum du moteur, C*) C traction = C* moteur C frein_électrique_saturé = Couple freinage électrique Sat_freinage_mécanique = Couple freinage électrique Si Consigne vitesse < 10 e-13 : C traction = C frein_électrique_sat = Sat_freinage_mécanique = 0 II.2.3. Batterie Le modèle de la batterie est désigné par deux blocs (Calcule Monobloc et Batterie thermique). Figure 7: Modèle de la batterie dans VEHlib 14
Dans le bloc «batterie thermique» on calcule la température de la batterie à partir de sa puissance thermique. Cette valeur de la température avec le courant de la batterie sont utilisés comme entrées du bloc «Calcul Monobloc» pour calculer la tension de la batterie et la puissance thermique. Le courant de la batterie est la somme du courant du moteur et du courant d accessoires. Dans «Calcul Monobloc» : CPCbat : profondeur de décharge de la batterie en % CPCbat = 100 * où Cahbat est calculé par interpolation 2D en fonction de ibat et Tbat qui sont la température de la batterie et son courant. La valeur de CPCbat avec Tbat0 (la température initiale de la batterie) sont utilisées pour calculer la valeur de la résistance de batterie et de la tension initiale (Interpolation 2D). Une fois R et Ubat0 (la résistance de batterie et la tension initiale de la batterie) sont déterminés, on peut calculer la tension de la batterie et la puissance thermique II.2.4. Machine électrique U bat = U bat0 - P th = R*ibat² La machine électrique utilisée dans le modèle de véhicule électrique de VEHlib est une Machine synchrone, cette machine n est pas décrite par des équations dans VEHlib mais elle est cartographiée et les valeurs du couple sont définies dans un tableau en fonction de la tension de la batterie et de la consigne du couple. Pour limiter la consigne du couple on utilise les valeurs maximum et minimum du couple que peut fournier le moteur, ces deux derniers sont trouvables dans VEHlib par interpolation en fonction de deux paramètres qui sont la tension de la batterie et la vitesse du moteur. La puissance des pertes est aussi calculée par interpolation en fonction de la vitesse du moteur et de la consigne du couple. On est capable maintenant de calculer la puissance totale : P T = P pertes + C* x W moteur Et après le courant du moteur : I cmg = ou zéro dans le cas du moteur non-alimenté D où finalement le couple sur l arbre moteur est : C moteur = C* si le moteur est alimenté C moteur = C frottement dans le cas d un moteur non alimenté Le couple frottement est déterminé par interpolation 1D en fonction de la vitesse du moteur. 15
II.2.5. Le Réducteur Ce bloc permet de calculer le couple des roues en fonction du couple moteur. C roue = K red * (C moteur - C perte ) Avec C perte = Si P moteur > 0 C moteur * (TRAN.rend 1) Si P moteur < 0 W moteur = W primaire = K red * W secondaire = K red * W roue J secondaire = K red ² * J primaire II.2.6. Véhicule Vitesse véhicule = W roue * Rpneu J inertie = J secondaire + M bilan *Rpneu² La force appliquée sur le véhicule est calculée dans le bloc «Calcul de la force» qui a pour entrées la vitesse de véhicule, la masse et la force de freinage. Cette dernière peut être déduite à partir du couple de freinage mécanique en le divisant par Rpneu. Il y on a trois autres types de force : force de la pente ou le poids, force de roulement et la force aérodynamique. F pente = M * g * sin (arctag (pente /100)) F roulement = M * g * (a+b*v² véhicule ) F aero. = Roatm * Sveh * V² véhicule * C x /2 F t = F pente + F roulement + F aero. + F freinage Le couple résistant du véhicule est C res_veh = F t * Rpneu Le couple d inertie C inertie = C roue C res_veh D où la vitesse de la roue Wroue =. 16
II.3. Validation du fonctionnement du VEHlib en temps réel Pour assurer que VEHlib fonctionne en temps réel et répond à notre besoin de réaliser une simulation en temps réel, un petit essai est fait dont on a implémenté le modèle du véhicule électrique du VEHlib dans une carte dspace et après on a envoyé le courant de la batterie sur la sortie DAC du dspace pour pouvoir l afficher sur un oscilloscope et le comparer avec les résultats de la simulation dans MATLAB. Figure 6 : Résultat de la simulation sur MATLAB Dans la simulation ci-dessus on a utilisé le cycle de conduite NEDC, et après on a marque deux points sur le profil du courant qui représente la réponse de ce dernier sur un palier de vitesse. Pour l implémentation dans dspace on a utilisé le même cycle de conduite avec les mêmes conditions de simulation et on a réglé le curseur de l oscilloscope sur les mêmes deux point qui étaient marque dans la simulation du MATLAB. 17
Figure 7 : Résultats de simulation sur les DAC du dspace Ce qui remarquable dans la figure ci-dessus que la différence du temps entre les deux point est de l ordre de 8s, alors le courant en réel répond dans le même intervalle du temps qui était nécessaire pour la simulation en MATLAB. Comme l intervalle du temps est le même on est confié de dire que VEHlib est capable de travailler en temps réel. 18
CHAPITRE III PARTICIPATION A LA MISE EN ŒUVRE DES ESSAIS III.1. Introduction Dans le cadre de la préparation de l acquisition des différentes mesures au niveau des cellules du pack batteries, il y avait une nécessité de faire une petite étude sur les différentes erreurs qui peuvent s introduire dans la chaîne de mesure. Comme les essais sur les cellules batteries réels sont dangereux et complexe on a fait notre étude sur quatre résistances connectées en série et alimente par une alimentation stabilisé de 5V. Après la validation du calcul par les essais réel on a utilisé la même démarche de calcul pour calculer l erreur de mesure au niveau de chaque cellule. Finalement je décris dans ce chapitre les différentes étapes réalisées pour la préparation de l acquisition des mesures des cellules par exemple la réalisation du pont diviseur et la carte de sécurité. III.2. erreurs de mesure de la tension aux bornes des résistances par dspace III.2.1. L erreur due à la Résolution d ADC du dspace : La résolution du convertisseur analogique-numérique du dspace ds1006 est 16-bits, et la tension d entrée qu on peut mesurer à ses borne est entre ±10 V. Donc l erreur de mesure de la tension est : ΔU ADC = = 0. 3 V III.2.2. L erreur due à la précision des résistances 19
La tension U aux bornes de la résistance R1 est donnée par la formule du pont diviseur de tension : Passant au logarithme pour faciliter le calcul de dérivé Les résistances utilisées sont identiques donc et La tension aux bornes des résistances R1 et R2 est : 20
La tension aux bornes des résistances R1, R2 et R3 est : Pour la tension aux bornes des 4 résistances l erreur est nulle en effet : III.2.3. L erreur liée à la variation de la température A température ambiante, admise à 20 degrés Celsius, la valeur nominale d'une résistance dépend avant tout du matériau résistif utilisé pour sa fabrication. Toutefois, tout matériau utilisé en électricité présente une variation de sa résistance spécifique en fonction de la température. Cette variation est donnée par le coefficient de température α, donné pour la température ambiante, qui exprime approximativement de combien varie la valeur spécifique par degré d'élévation de température. Soit: R fin = R 20 (1+α ΔT) Avec: R fin : Résistance à une température donnée [Ω] R20 : Résistance à 20 degrés [Ω] α : Coefficient de température [1/ ] ΔT : Variation de température à partir de 20 degrés [ ] Le coefficient de température pour les métaux pur est d'environ 0,004 ainsi que pour le cuivre et l'aluminium utilisé en électronique. Donc on peut remarquer qu une nouvelle erreur peut s introduire dans la mesure de la tension aux bornes des résistances qui dépend du changement de la température. 21
ΔR = R fin - R 20 = R 20 α ΔT Exemple : Pour une résistance de 100kΩ fabriqué en céramique dont le coefficient de température est égal à 15x10-6 /, un changement de la température de 20 à 35 provoquerait un changement dans la valeur de la résistance ΔR de 0,225 mω. III.2.4. Essai sur dspace ΔR = R 35 - R 20 = 100*0,004*(35-20) = 0,225 mω = = 225 x 10-6 Génération d un profil de tension: Le programme Simulink suivant peut nous générer un profil de tension Le DAC fait multiplier le signal par 10 ; alors il faut passer le signal dans un block «Gain» de gain (0,1) avant de le relier au DAC. Figure 8 : Profil de tension à générer par dspace 22
Affichage de la tension aux bornes de 4 résistances connectées en série : Les résistances utilisées étant de 10K chacune. L entrée analogique du dspace peut supporter une tension entre ±10V. On a utilisé une source d alimentation de 5V. Donc à la borne de chaque résistance on doit avoir une tension égale à 1,25V puisque les résistances sont toute identiques. On a utilisé les entrés ADC numéro 17, 18, 19 et 20 du dspace. L entrée ADC du dspace space multiplie la valeur qui se trouve à sa borne par 0.1 donc on a utilisé un gain égale à 10 pour restituer le signal original. La sortie du «Gain 3» nous donne la tension aux bornes de R1, celle du «Substract» la tension aux bornes de R2, celle du «Substract1» la tension aux bornes de R3 et «Substract2» donne la tension aux bornes de R4. L erreur de mesure En calculant l erreur qui peut s introduire au niveau de la tension aux bornes des 4 résistances avec 2 valeur de précision on aura le tableau ci-dessous (le calcul fait sans tenir en compte la variation de la température). 23
Tableau 2 : valeurs des erreurs sur la mesure des tensions aux bornes des résistances en mv (pour des résistances de précision 0,1% et celles de 5%) R1 R2 R3 R4 0,1% 2,175 4,975 4,975 2,175 5% 94,05 219,35 219,35 94,35 Les deux figures ci-dessous sont le résultat obtenu lors de la mesure de la tension aux bornes des 4 résistances par dspace. Figure 9 : Résultat Obtenue avec les résistances à 5% et une alimentation égale a 4.9V Figure 10 : Résultat Obtenue avec les résistances à 0,1% et une alimentation égale à 4.9V 24
III.3. Etude de l erreur de mesure au niveau de la batterie La batterie qu on va utiliser dans notre projet est formée de 10 cellules connectées en série, chacune d elles a une tension nominale égale à 3.2V, une capacité nominale de 40Ah et une résistance interne inférieure à 2mΩ. Avant d effectuer l acquisition des mesures des tensions des différents cellules sur le système dspace il faudrait adapter le niveau des signaux de telle façon à ne pas dépasser 10V (valeur max admise par la carte d acquisition de dspace) pour cela nous avons réalisé un pont diviseur de tension. Cette adaptation n est pas sans conséquence sur la précision des mesures des différents tensions des éléments du pack batterie on aura donc une erreur de mesure due à la précision des résistances du pont diviseur sans oublier l erreur due à la résolution des CAN du dspace. Uc2 U2 Uc1 U1 La tension réduit de la cellule C1 est : Figure 11 : Méthode de Connexion des Cellules au pont diviseur 25
D où l erreur dans la mesure de la tension due à la précision des résistances est ΔU1=0,001* 3.2=3.2mV. A cette erreur il faudrait ajouter celle due à la résolution du dspace, l erreur totale sera égale à 3.5mV. Dans le calcul de l erreur de mesure dans les autres cellules ; le démarche de calcul est la même mais il faut aussi prendre en compte l erreur de mesure sur les cellules précèdent par rapport à la Exemple : Pour la deuxième cellule Uc2 = U 2 m Uc1 avec U 2m : la tension mesuré entre la deuxième cellule et la masse. ΔUc2 = ΔU 2 m + ΔUc1 ΔUc1 = 3,5mV (déjà calculé) ΔU 2m = ΔUc1 + c2 + Δ ADC ΔUc1 + c2 = 0,001 * Uc1 + c2 = 0,001*6,2V=6,4mV Δ ADC = 0,3mV alors ΔU 2m =6,7mV ΔUc2 = 3,5 + 6,7 = 10,2 mv Donc l erreur totale de mesure aux bornes de la deuxième cellule est égale à 10,2mV. En complétant le calcul pour les autres cellules on a obtenu le tableau ci-dessous : Tableau 3 : erreur de mesure aux bornes des cellules en mv C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 Erreur 3.5 10.2 16.3 23 29.4 35.8 42.2 48.6 55 61.4 III.4. Raccordement de la batterie Le pack batterie est constitué de dix cellules qu il faut connecter en série. Mais comme il apparait dans la figure ci-dessous que les bornes positives sont tous de la même coté, donc pour faciliter la connexion on va inverser une cellule sur deux afin d obtenir les bornes adjacent alternés. Figure 12 : 10 cellules Batterie Li-ion 26
Dans ce cas-là on peut utiliser des connectiques double pour relier les bornes positive et négative de deux cellules adjacentes et on a besoin encore des connectiques simple pour les bornes extérieures de la batterie. Figure 13 : Méthode de la connexion des Cellules Donc on a besoin de neuf Connectiques double et deux Connectiques simple. Les deux modèles ci-dessous sont dessinés par la logiciel «CATIA», les différents vus et les dimensions de chaque modèle se trouvent dans l Annexe. Figure 14 : Connectique Simple Figure 15 : Connectique Double Pour la Connectique simple il y on a quatre trous ; une pour la fixation de la connectique sur la cosse de la batterie, les trois autres sont pour les mesures. Dans le cas de la Connectique double on a six trous ; deux pour fixer la connectique sur les deux cosses adjacents, trois pour la mesure et la dernière pour fixer un panneau du plexi sur la batterie. 27
III.5. Réalisation de la Carte pont diviseur Avant de connecter les cellules de la batterie aux BNC il faut les passer par un pont diviseur pour réduire leurs tensions à une valeur inférieure de 10V. Le schéma du circuit de pont diviseur est très simple; il est formé de dix branches chacune d eux contient deux résistances en série. (Le calcul de la valeur des résistances est dans l Annexe) Figure 16 : Schéma électrique du pont diviseur de tension Après la réalisation du circuit sur Capture CIS d ORCAD on a passé au PCB Editor pour faire le routage et réaliser le circuit imprimé. Une fois que le circuit imprimé était prêt, on a effectué le perçage puis le soudage des résistances. Ensuite on a fixé la carte dans une boite en plastique. Figure 17 : La carte fixée dans une boite en plastique 28
Dans la face avant on a percé un trou de 22mm de diamètre pour qu on puisse fixer un connecteur à 12 broches, dont onze vont être utilisés (dix pour les dix batteries et un pour la masse). Affectation des Broches : En supposant la numérotation des potentiels commence par le potentiel de la cellule qui est relié à la masse ; Point de potentiel Broche 1 A 2 B 3 C 4 D 5 E 6 F 7 G 8 H 9 J 10 K Masse M Figure 18 : Broches du Connecteur de la batterie Dans la face derrière du boitier on a percé 10 trous dont laquelle on va fixer 10 connecteurs BNC pour pouvoir récupérer les tensions réduits au dspace. III.6. Réalisation de la Carte sécurité La carte de sécurité a pour rôle de commander la bobine d un relais pour arrêter le système en cas d alarme reçu d un Data Logger qui enregistre différents paramètres de la batterie (Tension, Courant, Température, ). Le Data Logger utilisé dans notre projet est le GL220 ; il est réglable donc par exemple on peut choisir un seuil pour la température dont laquelle le Data Logger envoie une alarme si la température dépasse le seuil choisit. III.6.1. Composants de la Carte Les composants de la carte sont : Une alimentation électrique qui nous fournir une tension continue égale à +12V pour commander le relais ; Un LED vert qui s allume quand la carte est sous tension ; Un LED rouge qui s allume en cas d alarme ; Un relais de 12V avec un contact sec normalement ouvert ; Deux résistances 560Ω pour la limitation du courant dans les LEDs ; Une résistance 15Ω pour limiter le courant dans la bobine du relais ; Un connecteur à vise pour fixer la sortie du GL220. 29
Figure 19 : Schéma électrique de la carte de sécurité III.6.2. Fonctionnement de la carte La sortie du GL220 est collecteur ouvert, donc dans le cas du fonctionnement normal, le transistor T de la sortie est bloqué ce qui empêche le passage du courant par la bobine du relais et donc contact sec reste ouvert Figure 20 : Câblage sortie alarme du GL220 Alors qu en cas d alarme ; T sera passant et le courant sera partagé entre le branche où se trouve le LED rouge qui sera allumé et entre la branche où se trouve le bobine du relais, dans ce cas la tension aux bornes A1A2 du relais est 12V et le contact sec sera fermé. Le contact sec sera branché en parallèle avec le bouton d urgence du système tout entier. 30
Figure 21 : Système de sécurité réalisé 31
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES Durant les quatre mois de mon stage au sein du laboratoire d Electromécanique de Compiègne LEC, j ai pu travailler sur plusieurs aspects : Premièrement, et après la recherche bibliographiques des différents logiciels de simulation dynamique des véhicules électrique, nous avons fait le choix d utilisation d un logiciel adapté à notre application, ce logiciel nous permet de simuler et d implanter notre modèle dans une carte dspace sans avoir un temps de calcul très important. D autre part, j ai pu étudier la marge d erreur qui peut s introduire dans les mesures des tensions des cellules et qui est vraiment non négligeable et qu il faut chercher d autre solution pour l acquisition de différentes mesures dans dspace en évitant l utilisation des résistances. Finalement, j ai pu participer à la mise en œuvre des essais et à la réalisation de différentes cartes et instrumentation du banc SIRTEX. Les erreurs de mesures des tensions obtenues sont énormes et la réalisation des essais dans ces conditions n est pas acceptable, nous pouvons toutefois donner une perspective pour améliorer la performance et réduire cette erreur. Il sera intéressant d utiliser la mesure différentielle aux bornes de chaque cellule, alors dans ce cas la tension ne dépasse pas le 10V et on n utilise plus un pont diviseur pour l acquisition de ces mesures. 32
BIBLIOGRAPHIES [1] Golden, Colo., «Advisor 2002 A Powerful Vehicle Simulation Tool Gets better», June 11, 2002, [2] Philippe TERRIER, «Influence De L'utilisation Du Biocarburant E85 Sur Les Émissions Polluantes D'un Véhicule Hybride Électrique», Mémoire Présenté À L'école De Technologie Supérieure, MONTRÉAL LE 26 AVRIL 2005, ANNEXE page 94 à 98 [3] Yuliang Leon Zhou, B. Eng., «Modeling and Simulation of Hybrid Electric Vehicles», University of Science & Tech. Beijing, 2005. [4] «Dymola User Manual», version 5.3a [5] «Smart Electric Drives Library for Catia V6 and Dymola», http://www.3ds.com/fr/products/catia/portfolio/dymola/model-libraries/ [6] Marc Chabreuil, «Une nouvelle approche de l ingénierie assistée par ordinateur», 17 févr. 2010. [7] Dietmar Winkler, Clemens Gühman, «Synchronizing a Modelica Real-Time Simulation Model with a Highly Dynamic Engine Test-Bench System», Technische Universität Berlin - Department of Electronic Measurement and Diagnostic Technology. [8] Gamma Technologies, Inc., «GT-SUITE Overview» [9] «LMS Imagine. Lab AMESim, the integrated platform for 1D multi-domain system simulation», http://www.lmsintl.com/imagine-amesim-1-d-multi-domain-system-simulation [10] «LMS International announces completion of IMAGINE Acquisition», 10 Mai 2007, http://www.lmsintl.com/lms-international-announces-completion-of-imagine-acquisition [11] «Real-time-ready LMS Imagine.Lab AMESim featured at Real-Time 2010», 24 Juin 2010, http://www.lmsintl.com/real-time-ready-lms-imagine-lab-amesim-featured-at-real-time-2010 [12] «Modelica Newsletter», Janvier 2011, https://www.modelica.org/publications/newsletters/2011-1 [13] «Modèles temps réel GT-SUITE de Gamma Technologies sur les systèmes Hardware-in-the- Loop (HIL) de dspace», 10 Janvier 2008, www.dspace.com [14] «SimulationX fact sheet Interface HIL» [15] «Saber, le simulateur de Synopsys et CR5000 System Designer de Zuken fourniront une solution de simulation, vérification et conception au niveau système», Juillet 2007, http://www.electronique-mag.com/article44.html [16] «Saber Software Généralités», http://www.ocsimize.fr/saber.htm [17] Trigui R., Jeanneret B., Badin F., «Modélisation systémique de véhicules hybrides en vue de la prédiction de leurs performances énergétiques et dynamiques», 2004 Construction de la bibliothèque de modèles VEHLIB, Recherche Transports Sécurité Vol. 83, pp 129-150. 33
ANNEXE A : Calcul de l erreur des résistances Pour les résistances ayant 5% de précision ( ) L erreur de la tension aux bornes de R1 : l erreur de la tension due à la précision de la résistance ΔU R1 = U R1 donc ΔU R1 = 1,25 = 93,75 V. L erreur totale de mesure est ΔU 1 =ΔU R1 + ΔU ADC = 93,75+0,3=94,05 V. Donc la tension aux bornes la résistance R1 est mesurée avec une erreur égale à 94,05 V, Ce qui est équivalent à 7,524 % de la tension réel à ses bornes. L erreur de la tension aux bornes de R2 : U R2 = U R1+R2 U R1 donc ΔU 2 =ΔU 12 +ΔU 1 avec ΔU 1 =94,05 V et ΔU 12 = ΔU R1+R2 + ΔU ADC ΔU R1+R2 = U R1+R2 = U R1+R2 = = 125 V donc ΔU 12 = ΔU R1+R2 + ΔU ADC D où finalement Δ Donc la tension aux bornes la résistance R2 est mesurée avec une erreur égale à 219,35 V, Ce qui est équivalent à 17,548 % de la tension réel à ses bornes. L erreur de la tension aux bornes de R3 : U R3 = U R1+R2+R3 U R1+R2 donc ΔU 3 =ΔU 123 +ΔU 12 avec ΔU 12 =125,3 V t ΔU 123 = ΔU R1+R2+R3 + ΔU ADC ΔU R1+R2+R3 = U R1+R2+R3 = U R1+R2 = = 93,75 V donc ΔU 123 = ΔU R1+R2+R3 + ΔU ADC D où finalement Δ Donc la tension aux bornes la résistance R3 est mesurée avec une erreur égale à 219,35 V, Ce qui est équivalent à 17,548 % de la tension réel à ses bornes. L erreur de la tension aux bornes de R4 : U R3 = U R1+R2+R3+R4 U R1+R2+R3 donc ΔU 3 =ΔU 1234 +ΔU 123 avec ΔU 123 =94,05 V et ΔU 1234 = ΔU R1+R2+R3+R4 + ΔU ADC 34
ΔU R1+R2+R3 = 0 donc ΔU 123 = ΔU R1+R2+R3 + ΔU ADC D où finalement Δ Donc la tension aux bornes la résistance R4 est mesurée avec une erreur égale à 94,35 V, Ce qui est équivalent à 25,09 % de la tension réel à ses bornes. Pour les résistances ayant 0,1% de précision ( ) Pour calculer l erreur de la tension aux bornes des 4 résistances dont la précision est de 0,1% on suit la même démarche de calcule précèdent en remplaçant la valeur de par 0,001 au lieu de 0,05. 35
ANNEXE B : Valeur des Résistances pour le pont diviseur La batterie est formée de dix cellules connectées en série, chacun de 3.2V, donc la différence de potentiel aux bornes de la batterie est 33V ce qui est trois fois plus que la tension que peut supporter le dspace à son entrée analogique, d où la besoin d un pont diviseur de tension pour avoir une tension inférieure à 10V. Un pont diviseur avec un rapport égal à 0.25 est suffisant, mais il faut calculer les valeurs des résistances à utiliser pour assurer bien le partage du courant dans le dspace et dans le circuit du pont diviseur. L impédance d entrée du dspace 2201 est de 100KΩ Avec Req = Ze // R2 Donc 4 Req = Req + R1 R1 = 3Req Si on prend R2 = 100 KΩ, on aura Req = 50KΩ et donc R1 = 150KΩ Donc on a besoin de deux résistances, la première de 100KΩ et la deuxième de 150KΩ avec une précision de 0,1%, la puissance des résistances est d un quart de Watt. 36
Véhicule ANNEXE C : Paramètres du véhicule électrique dans VEHlib Paramètres constantes Accélération de la pesanteur (m/s 2 ) VEHI.Gpes = 9.81 Pression atmosphérique (Pascal) VEHI.Patm = 101325 Température atmosphérique (kelvin) VEHI.Tatm = 298.15 Constante de l'air (J*K -1 *Kg -1 ) VEHI.Ratm = 287 Masse volumique de l'air atmosphérique (Kg/m 3 ) VEHI.Roatm = VEHI.Patm/VEHI.Ratm/VEHI.Tatm Paramètres pneumatiques Rayon des pneus (m) VEHI.Rpneu = 0.2556 Nombre de roue (sans unité) VEHI.Nbroue = 4 Inertie d une roue (kgm 2 ) VEHI.Inroue = 0 Paramètres véhicule Poids à vide (kg) VEHI.Mveh = 1160 Charge du véhicule (kg) VEHI.Charge = 0 Coefficient de traînée du véhicule (sans unité) VEHI.Cx = 0.34 Surface frontale du véhicule (m 2 ) VEHI.Sveh = 1.74 Force de freinage maxi (N) VEHI.frmeca=2000 Coefficient de résistance au roulement (kg/tonne) VEHI.a = 0.0135 Coefficient de résistance au roulement (m) VEHI.b = 0 Nombre de ACM (sans unité) VEHI.nbacm1=1 Accessoires mécanique (sans unité) VEHI.Pacc=150 Rendement moyen de l'alternateur s'il existe. VEHI.rdmoy_acm2=0.5 Coefficient d adhérence (sans unité) VEHI.adherance=0.6 Pré calculs Force de roulement (N) Développement des pneumatiques (m) VEHI.Fr = VEHI.a*VEHI.Mveh*VEHI.Gpes VEHI.dev=2*pi*VEHI.Rpneu Elément batterie Nombre de monobloc en série (sans unité) BATT.Nblocser = 20 Nombre de branches en parallèle (sans unité) BATT.Nbranchepar =1 Active (1) / inactive (0) (sans unité) BATT.Therm_on=1 Capacité calorifique en (W/kgK) BATT.Cp=700 Coefficient d'échange en (W/K) BATT.hc=1 Profondeur de décharge initiale (sans unité) BATT.Cabath0=0 Masse d un monobloc (Kg) BATT.Masse_bloc= 13 Nb élément par monobloc (sans unité) BATT.Nele_bloc=5 Capacité nominale (Ah) BATT.Cahbat_nom = 108.38 Tension nominale pour un élément (V) BATT.U_nom_ele=1.2 Gestion des courants de batterie (A) BATT.Ibat_max=250 Imax (décharge) BATT.Ibat_min=-200 Imin (charge) Temps de réponse de la tension (s) BATT.tauB = 0.1 Tension de fin de décharge pour arrêt du calcul (V) BATT.Ubat_min=0.8*BATT.Nele_bloc Tension de surcharge pour arrêt du calcul (V) BATT.Ubat_max=1.6*BATT.Nele_bloc*2 Température maxi pour arrêt du calcul (C) BATT.Tbat_max=60 Rendement faradique de la batterie (sans unité) BATT.RdFarad=0.98 37
Gestion du courant de récupération admissible par la batterie Paramètre pour la régulation de la tension maximale BATT.ubat_lim_cons=1.5*BATT.Nele_bloc (V) BATT.P_lim=80 (sans unité) BATT.I_lim=0 (sans unité) BATT.D_lim=0 (sans unité) Données du réducteur AX électrique Rapport de réduction (sans unité) TRAN.kred=7.2 Rendement du réducteur (sans unité) TRAN.rend=0.97 38
ANNEXE D : Documentation VEHlib Introduction VEHLIB, logiciel développé à l INRETS (institut national de recherche sur les transports et leur sécurité) par le Laboratoire Transport et Environnement (LTE) en 1998. Il fonctionne dans l environnement Matlab/Simulink Cette bibliothèque répond aux objectifs suivants : Comprendre et développer de nouveaux concepts de chaîne de traction hybride. Evaluer la performance énergétique des véhicules et les sollicitations des différents organes selon les usages. Sous VEHLIB, un véhicule est vu comme l association de plusieurs sous-systèmes. Chacun correspond à un organe physique du véhicule et peut constituer lui-même un ensemble de soussystèmes. Installation Pour installer VEHlib il suffit de copier le dossier «VEHlib_V3.0» sur le disque dur. VEHlib utilise une fonction écrite en langage C et il l utilise dans le block «sfonction» du Simulink. En fait «sfonction» utilise le fichier dll de la fonction, donc il faut compiler la fonction de nouveau sur chaque système d exploitation. Pour compiler : 1. Ouvrir Matlab 2. Sélectionner le répertoire du VEHlib 3. Taper «cd sfonction» 4. Taper «Mex ligne.c» Des différents compilateurs vont apparaître où il faudrait choisir un parmi eux. Lancement du VEHlib Si on utilise une version Matlab supérieure ou égal à 2011 il faut lire le paragraphe : VEHlib et Matlab2011 Pour lancer le simulateur du VEHlib il y a quelques étapes à suivre : 1. Ouvrir Matlab 2. Sélectionner le répertoire du VEHlib 39
3. Taper «initpath» quelque messages de warning vont s afficher, ignorer les tous. 4. Taper «vehsim» Vous aurez une fenêtre comme ci-dessous ; 4 1 2 3 Fig. 1 : Interface graphique de VEHlib L interface Vehsim 1) Pour choisir l architecture du véhicule à simuler (électrique, hybride,..) 2) Pour choisir le modèle du véhicule 3) Pour sélectionner un cycle de conduite 4) Paramètres initiales du calcul Remarque Les paramètres du calculateur, du moteur, de la batterie et les autres composants du modèle sont définis par le développeur dans des M-files. Mais bien sûr il y a accès à ces fichiers et les paramètres sont tous modifiables. Par exemple pour modifier les paramètres de la batterie : 1) Ouvrir le dossier «VEHlib_V3.0\Batteries» 2) Ouvrir le fichier «NiCd_STM5_100_MRE.m» chaque fichier correspond à un type de batterie 3) Maintenant vous pouvez modifier tous les paramètres correspondant à la batterie «NiCd_STM5_100_MRE» Une fenêtre Simulink s ouvrira contenant le modèle du véhicule choisi. 40
Fig.2 : Modèle d un véhicule électrique dans VEHlib Pour une simulation purement numérique sans implémentation dans dspace ou autre plateforme temps réel, il suffit de cliquer sur le bouton «Start simulation» pour démarrer le calcul. Pour montrer les différentes courbes après la fin de simulation cliquer sur le block encadré en rouge dans la figure 2. Une nouvelle interface graphique s affichera contenant deux «List Box» identiques. Fig.3 : Interface graphique pour le traçage des courbes Chaque «List Box» contient tous les variables calculée (courant batterie, vitesse véhicule, tension,..) Trois types de trace existent ; trace Y(X), trace d un diagramme de barre, fonctionnement du moteur électrique. VEHlib et Matlab2011 VEHlib a été développer en 1998 et la dernière mise à jour était en 2003 donc c est évident qu il y a des problèmes de compatibilité avec les versions récents du Matlab. 41
Dans la suite vous pouvez trouver quelques modifications qu il faut appliquer pour lancer VEHlib sur Matlab2011. Case sensitive Matlab2011 est «case sensitive» c est-à-dire il y a une différence entre les lettres majuscules et les lettres minuscules. Dans la programmation du VEHlib les fichiers M-file sont traités en majuscule alors que leurs noms sont en minuscule donc pour éviter les erreurs il faut renommer les fichiers en majuscule. Fonction «fileparts» Fig.4 : exemple d erreur du «case sensitive» La fonction «fileparts» est utilisée dans VEHlib pour donner des informations sur le fichier du cycle de conduite ; nom du fichier, chemin du fichier, l extension et la version. Fig.5 : erreur affichée à cause de fileparts Dans Matlab2011 cette fonction existe mais la sortie «version» n existe plus donc il faut une petite modification dans l utilisation de la fonction. 1. Ouvrir le fichier «VEHLIB_V3.0\utilitaires\menu\vehsim.m» 2. Dans la ligne 342 vous trouvez : [rep,fichier, ext,ver]=fileparts(fichier); il suffit de supprimer «ver», [rep,fichier,ext]=fileparts(fichier) 42
Signal Storage Reuse Quand on essaie d'exécuter la simulation, on sera surpris de voir que le programme se ferme automatiquement, c'est un problème de compilation. Pour éviter cela, on doit décocher l'option «Signal Storage Reuse» dans les paramètres d'optimisation. Pour accéder à cette option : 1. Dans le modèle de Simulink appuyez «CTRL+E» (une nouvelle fenêtre s ouvrira) 2. Dans la colonne à gauche cliquer sur «optimization» puis «Signals and Parameters» 3. Décocher l option «Signal storage reuse» 43