F. BADIN - INRETS LTE -...

INRETS LTE VEH 06/2007

La voiture hybrideMusée des Arts et Métiers

28 Juin 2007

F. BADIN - INRETS LTE


Éléments de contexte


110

120

130

140

150

160

170

180

190

1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012

Years

CO

2 em

issi

on in

g/k

m

ADEME 05, EEC 03

ACEA

ACEA commitment2008

ACEA commitment2012

France

EVOL_CARAC_VEHIC

Est. +1200 € avg

Est. +2500 € avg

ACEA 07

Fleet averaged CO2 emissions trends

152

Perspectives futures ?

RenaultPSA

BMW

Toyota


Conditions d’utilisation des motorisations classiques


Motoring

Braking Stop

INRETS

VEHLIB

B.S.

Motoring

B.S.

Motoring

Répartition en temps

Urban Road Motorway

Usage du moteur thermiquedans un véhicule conventionnel

Motoring

Braking Stop

Motoring

Braking Stop

Motoring

Braking Stop

Motoring

Braking Stop

Motoring

Braking Stop


INRETS

VEHLIB

Urban Road Motorway

Motoring

Braking Stop

Motoring

Braking Stop

Motoring

Braking Stop


Répartition en consommation

INRETS LTE VEH 06/2007Engine torque (Nm) vs rpm

Urban

INRETS

VEHLIB

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

210

210

215

215

215

225

225

225

250250

250

275275

275

300 300

300

400 400400

-50

0

50

100

150

Plage d’utilisationdu moteur thermique

210

210

215 215225

225

225

250

250

250

275275

275

300 300

300

400 400400

-50

0

50

100

150

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

Extra-urban

Engine torque (Nm) vs rpm

SimulationSimulation



Architectures hybrides


Transformateurirréversible

Produits de dégradation

Réservoird'énergie

Grande autonomie

Récupération d’énergie au freinagePas émissions locales de polluants possible,

Optimisation

Rechargeéventuelle

Système decouplage

Stockage d'énergie

Principe général


Transmission hybride série

Schéma de principe

Liaisons électriquesLiaisons mécaniques

Moteurélectrique

Réducteurdifférentiel

Contrôle Batterie

Contrôle

Géné.Moteur

thermique

Réservoir


Transmission hybride parallèle

Schéma de principe


E3Réducteurdifférentiel

E1B.V.

Moteurélectrique

ContrôleBatterie

E2

Cou

plag

e

Moteurthermique

Réservoir


Transmission hybride parallèleà dérivation de puissance

Schéma de principe


Moteurélectrique

Contrôle Batterie

E2

E1


Cou

plag

e

Moteurthermique

E1

1

2

B.V.

B.V.

Réservoir

Contrôle

Géné. Nissan Tino2000


Contrôle

Transmission hybride parallèleà dérivation de puissance


MachineVar. vitesse

Contrôle

Batterie


Trai

n ép

icyc

loïd

al

Moteurthermique

Réservoir

Machineélectrique

Schéma de principe (Prius)

Toyota Prius1997


Solutions implémentées

Hybrides discrets


Solution minimale (micro) :Conservation de l’architecture du GMP(typiquement 2,0 l essence et 1,6 l Diesel)

Machine généralement non intégrée 2 à 3 kW,• Batterie très proche de l’existante,• Gain en consommation urbaine : 5 à 10 %

Hybrides discrets

Alterno-démarreur 14 Vgestion optimisée de l’énergie électrique


-100

-50

0

50

100

150

200

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Cou

ple

en N

m

REP_MT_MG

Régime en Tr/mn

ME Mot

Démarrage du MT

Alterno-démarreur

Modes de fonctionnement

500

Moteur thermique

Génération de l’énergie optimumrécup. au freinage

ME Gén


Realizations

Denso Valeo Stars

Citroën C3 (11/04)and C2 (1/06)Toyota Crown

since 2001

GM Saturn

GM

~10000 ex since 1/2005

Japan France North America

S/S and more ?

Stop-start system


Potentiel de gain en consommation

Alterno-démarreurMILDHYB

INRETS GREENVALEO

PARAVH

INRETS VALEOEXIDE

ADEME

0

2

4

6

8

10

12

14

Fuel

con

sum

ptio

nga

in in

%

16

1

Vehicle type of use

MotorwayRoadNEDC (warm)UrbanJapan 10-15 modes

avg speed : 92 48 33 22 23 km/h

Relativetime at

stop31 %

25 %at stop

22 %at stop

10 %3.5 %

PARAVH_RES_CONS_1


Solution minimale (micro) :Conservation de l’architecture du GMP(typiquement 4,2 l essence et 3,0 l Diesel)

Machine non intégrée 4 à 6 kW,• Association batterie et supercondensateur,• Gain en consommation urbaine : # < 12 %

Hybrides discrets

Alterno-démarreur et récupération : 14 + Xgestion optimisée de l’énergie électrique


Solution intermédiaire (mild) :Modification minimum de l’architecture du GMP

• Machine généralement intégrée 10 à 15 kW,• Batterie 42 à 150 V, moins de 1 kWh,• Gain en consommation urbaine : 20 à 30 %

Hybrides discrets

Alterno-démarreur, récupération et boostergestion optimisée de l’énergie électrique


Effet booster

1000 2000 3000 4000 5000

Régime en tr/mn

Cou

ple

en N

m

Moteur thermiqueMachine électrique

(moteur)

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0

Démarragedu MT

Alterno-démarreur et booster


Association moteurs thermique

et électrique

Machine électrique (générateur)

Récupération au freinageGénération de l’énergie optimum


Honda IMA

Electric machine

Insight

Civic

Accord

Grande compacité (< 1cm/kW)

Modifier au minimum l’architecture du GMP

Mise en oeuvre


Solution complète (full) :Modification profonde de l’architecture du GMP

• Machine de 30 à 50 kW,• Batterie 200 à 300 V, 1 à 2 kWh,• Gain en consommation urbaine : 30 à 40 %

Hybrides discrets

Alterno-démarreur, récupération,booster et mode électrique


Effet booster

Machine électrique (générateur) Récupération au freinage

Génération de l’énergie optimum

1000 2000 3000 4000 5000

Régime en tr/mn

Cou

ple

en N

m

Moteur thermiqueMachine électrique

(moteur)

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0

Alterno-démarreur, récupération, booster et mode électrique


Démarragedu MT

Association moteurs thermique

et électrique

Mode toutélectrique


Un grand choix de fonctionnalités

Grande complexitéGrande compacité

Mise en place des composants plus délicate

Motorisation

Batterie

> 1 000 000 exdepuis 1997

Transmission hybride parallèle à dérivation de puissance


Average driving speed

IFP/COMP_CAT3V.xls

13 gasoline vehicle (3V catalyst)

Avg

Em

issi

on in

g/k

m

100

140

180

220

260

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5Urban NEDC Road Motorway

Prius 97 -20%à

25%

-30%à

40%-15% -3%

Prius 01

Results : Vehicle CO2 emission gain according to vehicle use

Comparaison Prius (1997 et 2001) avec des véhicules conventionnels

EVALVH

INRETS IFPARMINES GREEN

ADEME


Exemple de réalisation : PSA Hybride HDi

Transmission hybride parallèle


Synthèse des apports pour les hybrides discrets

0 50 100 150 200 250 300 350 400-10

0

10

20

30

40

5055

Modeélectrique

Décollagevéhicule

Modehybride Récupération

vitessePuissance Mot électriquePuissance Mot thermique

km/h

and

kW

Time in s

Stop&Start


Évaluation desperspectives

de gain énergétique


Evaluation des perspectives de gain

Difficile de déterminer précisément les sources de gain

0

50

100

150

200

CO

2em

issi

onva

lues

in g

/km

Conv. Hybride

EngineEng. operating area

S/S and regeneration

Usage Urbain

Toyota0

50

100

150

200

Conv. Hybride

HondaCO

2em

issi

onva

lues

in g

/km

Vehicle

CO

MPA

R_C

O2_

VEH


1290 kg150 W

BVrobotisée

Mot essence 83 kW

0-100 km/h

12.3 s

12.5 s

12.3 s

11.3 s

11.7 s

CONV

1300 kg150 W+BAT S/SAlt

Dém

1340 kg200 W

PM EM 18kW

42 V NiMH

Mot essence 69 kW

Parallèle

1360 kg#250 W

Split type transmission50 kW PM EM, 30 kW PM GEN

200 V NiMH ESS

Mot essence60 kW

1360 kg# 250 W

Split type transmission50 kW PM EM, 30 kW PM GEN

200 V NiMH ESS

Mot essencePrius 56 kW

Prius

Hypothèses

BVrobotisée

BVrobotisée

Parallèledériv P

Mot essence 83 kW


Rr

Aero

Int

8,7

27,6

91,5

Ph motrices

Axle

Elect.machine

Pla

neta

ryge

ar

I.C.engine

Fuel tank

DC/ACElect.machine

Brk9,4

Rr

Aero

4,5

16,4

Int91,5

Ph récup

DC/DC

DC/AC

BatteryTransmission

parallèle àdérivation de puissance

(type Prius)

DC/Aux.

Détermination des flux d’énergie dans les composants

127,8

61,258,9

53,9

11,2

63,4 47,25,5

64,4

95,1

53,3

60,3

79,3

59,5

1,9 134,6

58,1

132,3

2,3

43171,9

1,0

Wh/kmElectricMechanic

Urban type use


Transmission

I.C.engine

Moteurthermique

Récup.

Motrices

Besoinsvéhicule

Connaissance des principaux postes de pertes

Type d’usage du véhicule


PriusAlt-dém

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Engine lossesDrive train losses

Vehicle (regen)Vehicle (motoring)

CONV

Wh/km

~30 %~28 %

20 %18 %Engine eff

Parallèle Par dériv

33 %

Usage de type urbain

Répartition des pertes selonl’architecture hybride


-50

50

150

250

350

450

550

650

Engine lossesDrive train losses

Vehicle (regen)Vehicle (motoring)

Usage de type autoroutier

Répartition des pertes selonl’architecture hybride

Wh/km

34 %~32 %~30 %

27 %27 %CONV Alt-dém Parallèle Par dériv Prius


250280

280280

280320

320

320

320

400

400 400

600

600 600

250

280

280

280

280320

320

320

320

400

400400

600 600 600

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160CONV Alt dém

100 %90 %80 %70 %60 %50 %40 %30 %20 %10 %

Zone d’utilisation du moteur thermiquesuivant l’ architecture

18% 20%

250280

280

280

320

320

320

400

400 400600 600

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160Parallèle

28%25

0280

280

280

320

320

320

320

400

400 400600 600 600

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Par à dériv

30%

Usage de typeurbain


Cycle Hyzurb N°33 DI=-0.05Ah

225

22523

5

235235

240

240

240260 260

260

300300

300

400 400 400

600 600 600

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Regime en tr/min

0

20

40

60

80

100

Cou

ple

effe

ctif

en N

m

225

22523

5

235235

240

240

240260 260

260

300300

300

400 400 400

600 600 600

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Regime en tr/min

0

20

40

60

80

100

Cou

ple

effe

ctif

en N

m

Cycle Hyzauto N°35 DI=-0.095Ah

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

0

20

40

60

80

100

Regime en tr/min

Cou

ple

effe

ctif

en N

m

225

225

235

235

235

240

240

240

260

260

260

300300

300

400 400400

600 600 600

Urban

Engine operating area as recordedon a THS architecture

Extra-urban

100 %90 %80 %70 %60 %50 %40 %30 %20 %10 %

Chassis dynoCyl PressurePMF estimation

EVALVH

INRETS IFPARMINES GREEN

ADEME


Solutions futures

Hybrides fonctionnels


Hybrides fonctionnels

Hybrides discrets plus des fonctionnalités complémentaires au bénéfice de l’utilisateur et/ou de la collectivité :

• Mode tout électrique avec autonomie,

• Recharge de la batterie sur le réseau,

• Motorisation répartie (4 WD),

• Alimentation électrique de bord.


Relation véhicule – réseau électrique

Pas deconnection

Charge sustaining

Marché del’énergie

Concept V2HV2GAlimentation

régulation

Transfertd’énergie

Plug-in HEVsCharge

depleting


Toyota et l’alimentation ‘réseau’

r


Relation véhicule – réseau électrique

Echange d’énergie entre : • Le véhicule et l’habitat (V2H)• Le véhicule et le réseau électrique (V2G).


Conclusions

• Le gain en consommation est sensible au cycle d ’usage,• Ils combinent plusieurs innovations,

• Les véhicules hybrides permettent d ’atteindredes consommations très faibles (CO2),

• Leurs émissions sont très basses (Euro IV),• Leurs performances sont bonnes (dynamique, autonomie),• Ils peuvent apporter des fonctions supplémentaires.

+

• Leurs coût est encore élevé (+20 à 30 %, batterie, diesel ?),• Questions sur la fiabilité des composants

(batterie et électronique de puissance ?),• Les VEH s’inscrivent dans un contexte dynamique

(moteurs thermiques, transmissions, carburants).

-


Merci de votre attention

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