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Artikel - 02/12/2016

LES MARGES BENEFICIAIRES SONT EXPLOITEES SUR LE PLAN DU LOGICIEL

Punch powertrain rend la technologie hybride plus efficace sur le plan energetique

Punch PowertrainHybrid CVT En tant que développeur et fournisseur expérimenté de technologie d'entraînement économe en carburant, Punch Powertrain a décidé d'exploiter sa connaissance pour rendre les véhicules hybrides encore plus économes en énergie. Walter Verdonck, hybrid system architect chez Punch Powertrain, et Maarten Witters, project leader chez Flanders Make, expliquent le projet et prouvent qu'à l'avenir, l'entraînement automobile partiellement électrique nécessitera encore moins de combustible fossile et d'énergie électrique.
Ferre Beyens

VALEUR DE L'HYBRIDE

On connaît la valeur ajoutée théorique de l'hybride, mais la majorité des automobilistes restent sceptiques. Le surcoût d'un tel véhicule constitue un obstacle à la sensibilisation au mode hybride. De plus, il y a un fossé entre les promesses des constructeurs et les chiffres de consommation réels (généralement) basés sur une conduite inadéquate. En outre, tous les ingénieurs moteur ne succombent pas à la mode du downsize. Ils ont déjà averti que la réduction de taille du moteur thermique (ICE) – une caractéristique-clé dans la technique hybride moderne – implique inévitablement un downsize sur le plan thermodynamique, dont les conséquences négatives peuvent être minimisées ou même évitées, moyennant une conception de système adéquate.

L'ENERGIE DOIT TOUJOURS VENIR DE QUELQUE PART

Une caractéristique essentielle de la thermodynamique est que l'énergie doit toujours venir de quelque part. Ou encore: que l'énergie se perd rarement et est généralement convertie sous une autre forme. Les ingénieurs le savent. Hélas, lorsque la politique intervient, la réalité technique est balancée à la poubelle. La critique politique à l'égard de plusieurs applications ICE qui sont pourtant loin de perturber le climat, en est un parfait exemple. Toutefois, on ne peut pas nier que l'opposition à l'ICE auto-inflammable – c'est-à-dire au diesel, attisée par la politique, mais fortement réfutée sur le plan thermodynamique, a permis à l'essence/hybride d'avoir le vent en poupe.

Consommation de flotte moyenne

Walter Verdonck Walter Verdonck: ““La réussite de l'hybride dépend de la législation. Des statistiques sur les émissions toxiques – de 1970 à nos jours – affichent des diminutions drastiques. C'est la conséquence de mesures législatives qui ont bridé la consommation de flotte moyenne des constructeurs. Ces dernières années, le passage à l'électrique a entraîné une réduction spectaculaire de la consommation de carburant et des émissions toxiques. Plus un constructeur proposera d'hybrides ou de véhicules sur batterie, plus l'impact sur la consommation de flotte moyenne sera grand.”

Mauvaise utilisation

Walter Verdonck: “Walter Verdonck: “Les conducteurs qui ne comprennent pas la technologie hybride, ne constatent aucun avantage en termes de carburant. Si un véhicule rechargeable n'est pas rechargé à temps, l'ICE de taille réduite va de toute évidence consommer plus de carburant pour un véhicule plus lourd.” En effet, l'énergie doit venir de quelque part. Des mesures pertinentes confirment qu'un hybride retire peu d'avantages de son assistance électrique à des vitesses supérieures à 100 km/h.

Walter Verdonck: “ “Celui qui roule plus vite, doit, avec son moteur à combustion de taille réduite, maintenir la vitesse d'un véhicule plus lourd (surpoids de la batterie et du moteur électrique). Cela nécessite davantage de carburant. C'est pourquoi tout ce qui peut être fait de manière électrique, doit être exploité au maximum. Il n'y a que comme ça que la consommation de carburant fossile va baisser.”

Maarten Witters: ““Les hybrides doivent donc être utilisés dans des conditions où la technologie apporte le plus gros avantage au niveau du carburant. Ils ne sont donc pas toujours la solution idéale pour les longues distances.”

Sensibilisation

Maarten WittersMaarten Witters: “En effet, l'hybride doit être plus acceptable sur le plan commercial. De plus gros volumes de production pourront y contribuer. Il faut aussi sensibiliser quant à son utilisation et ça, c'est une tâche qui incombe à plusieurs parties. Les constructeurs peuvent prévoir des applis qui aident et encouragent à conduire de manière économique et qui indiquent comment rouler de la manière la plus avantageuse sur le plan écologique. C'est aussi aux autorités d'agir en taxant les véhicules polluants ou en leur interdisant l'accès à la périphérie urbaine. La conduite peut même être commandée à distance. Par exemple, on peut plafonner la demande de puissance à distance afin de faire respecter les limitations de vitesse. Certaines entreprises de transport le font. Mais c'est plus difficile pour les véhicules privés, étant donné la réglementation relative à la vie privée.”

HYBRIDE = BOITE AUTOMATIQUE

La technologie hybride peut faire beaucoup, mais une conduite inadaptée va rapidement annuler son avantage en termes de carburant. Les conducteurs d'hybride doivent donc être sensibilisés et mieux familiarisés avec cette technologie. Il faut aussi comprendre que les transmissions automatiques modernes aident à réduire la consommation de carburant et non à l'augmenter, comme on l'affirme obstinément.

Erreurs humaines

Walter Verdonck: ““Ce sont toujours les véhicules manuels qui dominent en Belgique. Par définition, l'hybride est synonyme de boîte automatique. Si la voiture peut décider elle-même quelle vitesse est la plus avantageuse à tel endroit et à tel moment, cette vitesse ou ces rapports de transmission seront plus adéquats et adaptés aux conditions de roulage actuelles. Le processus sera plus rapide et plus efficace que s'il était effectué par l'homme. En effet, un véhicule à variation continue (CVT) supprime toutes les erreurs humaines relatives à la transmission, ce qui entraîne une plus petite facture de carburant.”

Un malentendu tenace

Il convient de tordre le cou à un malentendu: une boîte automatique ou à variation continue n'augmente pas la consommation. La pratique nous montre depuis des années que la conduite avec une boîte automatique moderne est plus économique qu'avec une version manuelle comparable. Pourtant, on voit des listes (sur lesquelles la législation fiscale aime se baser) avec des chiffres CO2 (théoriques) qui affirment le contraire. Ces chiffres se basent erronément sur la surconsommation certainement entraînée par des transmissions désuètes. Des tests comparatifs effectués dans des conditions de trafic normales nous apprennent depuis des années qu'une boîte automatique moderne entraîne de meilleurs chiffres de consommation.

Maarten Witters: “ “Ces dernières décennies, les transmissions automatiques ont connu des évolutions spectaculaires. Elles sont devenues plus économiques. Les boîtes automatiques traditionnelles avec convertisseurs de couple hydrauliques sont progressivement remplacées par des boîtes à commande électronique à variation continue (CVT), caractérisées par une transmission qui aspire à une économie de carburant sans réduction des performances.”


Walter Verdonck:
““Les constructeurs commercialisent des boîtes automatiques plus économiques. Autrefois, les boîtes automatiques avaient une transmission moins optimale et étaient combinées avec des moteurs à combustion plus lourds qui devaient générer de l'énergie supplémentaire pour passer les vitesses. Si l'on se base sur la technologie la plus récente, le tableau est différent.”

MOINS D'ENERGIE FOSSILE ET ELECTRIQUE

Récupérer et accumuler

Les économies de carburant visées par Punch Powertrain pour les hybrides ne visent pas une plus grande capacité de batterie ou une plus grande puissance électrique. Toutefois, la récupération et l'accumulation d'énergie électrique sont beaucoup plus efficaces et l'ICE réalise généralement sa courbe de couple avec les points d'opération les plus optimaux.

Walter Verdonck: ““La question qu'il faut se poser est: quand utiliser l'ICE, le moteur électrique, les deux, ... et quand voulons-nous récupérer et accumuler de l'énergie électrique?”

Maarten Witters: ““Il faut contextualiser notre technologie favorisant l'efficacité dans l'ensemble de la ligne d'entraînement: ICE, moteur électrique, transmission, récupération, roues, électronique de contrôle. Car tout est contrôlé, excepté le conducteur. Ce dernier actionne les pédales et apporte l'input. L'ensemble du système d'entraînement est examiné à partir du choix entre les points d'opération les plus optimaux. Et ce, aussi bien pour l'ICE que pour le moteur électrique et la transmission.”

Exploiter les zones de profit

Figuur 1: bij Punch Powertrain wil men de brandstofbesparing maximaal exploiteren in het scala van de auto-elektrificatie L'économie de carburant suite à l'intensification de l'électronique évolue de manière considérable (voir Fig. 1). Les 'mild Hybrids' avec une transmission à variation continue dotés d'un ICE de taille réduite et d'une fonction marche/arrêt ont pu réduire la consommation de carburant fossile de 20% par rapport au véhicule ICE traditionnel. Les marges bénéficiaires, qui sont encore plus élevées avec un véhicule hybride et avec un véhicule entièrement électrique, réduisent même la consommation de carburant fossile à zéro. Ce sont ces marges-là que Punch Powertrain essaie d'exploiter au maximum et ce, au sein d'une large gamme de véhicules électriques: micro-hybride, mild et full Hybrid, PHEV, Range Extenders et full e-powering.
 

Architecture système 

Figuur 2: systeemarchitectuur van de hybride CVT-aandrijflijn. In het blauw de systeemcomponenten (en/of softwareprogrammatie) waar Punch Powertrain zich op toespitst En tant que spécialiste CVT, Punch Powertrain peut se concentrer sur la transmission à variation continue pour atteindre une consommation énergétique encore plus économique. Des tests avec un dispositif (voir Figure 2), combiné à une traction avant, montrent une efficacité de carburant accrue. De plus, on utilise l'énergie électrique de manière plus économique, tant sur le banc d'essai qu'en conditions réelles. Une pompe électrique 12 V doit désactiver certaines fonctions CVT, dès qu'on roule en mode électrique, afin de réduire les pertes d'énergie. Notez aussi que cette architecture hybride se prête à diverses plateformes: FWD, RDW et AWD. Selon Punch Powertrain, d'autres atouts sont l'ardeur accrue du moteur électrique et le plus grand confort de conduite en mode électrique.
 

Modes cd & cs

La conduite purement électrique est un mode de conduite. Pour un hybride rechargeable (PHEV), cela signifie un fonctionnement en mode CD (Charging Depleting, un principe qui consiste à soulager un PHEV sporadiquement avec de l'énergie puisée sur le réseau). Pour l'assistance électrique, comme avec un hybride traditionnel, on parle souvent de mode CS ou Charge Sustained.

Désactivation de l'ice

Avec la disposition P3 Hybrid de Punch Powertrain, cela devient évident. Pendant un trajet, l'ICE est de plus en plus souvent 'désactivé' afin d'harmoniser parfaitement les points d'opération ICE et les caractéristiques du moteur électrique. A l'aide d'une transmission à variation continue intelligente, le moteur électrique peut forcer l'ICE à ne tourner que dans les régimes les plus efficaces des caractéristiques moteur. Dès que l'ICE tourne dans des zones non efficaces, il est désactivé.

Points d'opération

Maarten Witters: ““En jouant avec les régimes ICE les plus favorables, nous pouvons dans ce dispositif déplacer le point d'opération idéal de l'ICE vers la transmission pendant les accélérations. Lorsque l'ICE tourne dans des zones de fonctionnement inefficaces, nous pouvons éventuellement recharger la batterie, lorsque sa capacité descend en dessous d'un certain niveau. Nous pouvons donc intervenir au niveau de la technique du logiciel – pas seulement de manière régénérative – pour commander des déplacements dans les points d'opération favorables pendant l'accélération et réaliser ainsi une économie de carburant.”

Moteur électrique: pmsm ou srm?

Figuur 3: zodra de ICE draait in niet-efficiënte zones, wordt hij werkloos gesteld Les ICE évoluent sans cesse et chez Punch Powertrain, on apprend que, outre le moteur thermique et la transmission à variation continue, les moteurs électriques évoluent aussi constamment en vue d'une économie d'énergie. Les moteurs synchrones à aimants permanents souvent utilisés dans les voitures (PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor) voient apparaître la concurrence du moteur à étapes (SRM: Switched Reluctance Motor). Contrairement aux modèles PMSM, le rotor n'est plus constamment magnétique. Le stator d'un moteur électrique SRM – comme le stator d'un moteur DC sans balais – reste électromagnétique, mais son rotor se compose uniquement de lamelles en fer. Le couple moteur apparaît grâce à la force d'attraction entre le stator électromagnétique et le rotor en fer. Le fait de ne pas utiliser d'aimants permanents a un avantage au niveau du coût, mais permet aussi une construction plus compacte du rotor.
 

SURCOUT RESTREINT 

Figuur 4: beschouwd vanuit de keuze tussen de meest optimale werkpunten van ICE, e-motor en CVT-trans­missie. In het blauw zien we de werkpunten van een conventionele CVT, gemeten in de NEDC-cyclus.Rood: hybride CVT (HEV-CVT) of plug-in Hybrid (PHEV) in CS mode, gemeten in NEDC.Groen: HEV-CVT of PHEV in CS mode in real drive-omstandigheden Le surcoût de la technologie hybride plus économie en énergie fait-il le poids face au gain d'énergie final?

Walter Verdonck: ““Certainement, car la consommation énergétique doit diminuer et il n'y a pas de petites économies.”

Maarten Witters: ““Le surcoût pour l'automobiliste sera minime. Il a fallu développer un nouveau logiciel de contrôle, mais il ne faut aucune intervention au niveau du moteur ou de la transmission.” Walter Verdonck: “Bien sûr, reste à savoir savoir quand nous envisagerons ces coûts de développement dans le cadre des diverses applications d'hybridation. Il existe des différences significatives pour ce qui est de la production en masse de ces différents hybrides. Avec les gros volumes, ce développement supplémentaire ne se traduit pas par un surcoût sensible.” Le rétrofit est-il possible sur les hybrides existants et quelles sont les applications FEO? Walter Verdonck: “Le rétrofit est possible, car nous avons une technique de réglage au moyen d'un logiciel. Des applications FEO? Nous venons de signer des contrats avec quatre clients, qui manifestent leur intention d'entamer la production avec nous.” 

UNE TECHNOLOGIE HYBRIDE EFFICACE EN ÉNERGIE ÉLABORÉE EN BELGIQUE

Cet article a été réalisé en collaboration avec Punch Powertrain et Flanders Make, qui développent ensemble une technologie hybride efficace en énergie. Stijn Vandevoordt, communication officer Flanders Make à Lommel, nous a mis en contact avec Walter Verdonck, hybrid system architect chez Punch Powertrain à Saint-Trond et Maarten Witters, project leader chez Flanders Make à Heverlee. Punch Powertrain produit et développe des boîtes de vitesses automatiques pour les entraînements hybrides et électriques. Flanders Make est le centre de recherche stratégique pour l'industrie manufacturière flamande. Il soutient les PME et les entreprises avec une recherche au niveau de la mécatronique, des évolutions de produit méthodiques et de la technologie de production. Son soutien dans le développement d'une stratégie de régulation pour les entraînements hybrides de Punch Powertrain en est un parfait exemple.