FR3030424A1

FR3030424A1 - Procede de determination de la consommation de carburant d'un groupe motopropulseur thermique de puissance equivalente a celle d'un groupe motopropulseur hybride

Info

Publication number: FR3030424A1
Application number: FR1462703A
Authority: FR
Inventors: Roy Loic Le; Jean-Martin Ruel
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Horse Powertrain Solutions SL
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2014-12-18
Publication date: 2016-06-24
Anticipated expiration: 2034-12-18
Also published as: WO2016097522A1; FR3030424B1

Abstract

Procédé de détermination de la consommation de carburant d'un groupe motopropulseur thermique de puissance équivalente à celle d'un groupe motopropulseur hybride comprenant un moteur thermique et une machine électrique. Le procédé comprend les étapes suivantes : on calcule un couple thermique équivalent égal à la somme du couple du moteur thermique du véhicule hybride et du produit du couple de la machine électrique du véhicule hybride par le ratio d'entraînement, puis on détermine la consommation instantanée de carburant d'un véhicule équivalent muni uniquement d'un moteur thermique développant le couple thermique équivalent déterminé.

Description

Procédé de détermination de la consommation de carburant d'un groupe motopropulseur thermique de puissance équivalente à celle d'un groupe motopropulseur hybride.

L'invention a pour domaine technique la commande de groupe motopropulseur hybride, et notamment la détermination de la consommation de carburant d'un groupe motopropulseur thermique de puissance équivalente, pour estimer le gain de consommation de l'hybridation. Un véhicule hybride est un véhicule qui dispose d'au moins deux organes produisant du couple et dont l'un est réversible. Par réversible, on entend qu'il peut produire un couple moteur ou un couple de freinage. Dans ce dernier cas, l'organe génère le plus souvent une énergie électrique qui peut être stockée ou réutilisée par d'autres organes du véhicule. L'un des principaux intérêts d'un véhicule hybride, est qu'à performance équivalente, la consommation de carburant associé est moindre par rapport à un véhicule pourvu d'un moteur thermique seul. Sur un véhicule à hybridation légère (« mild- hybrid » en langue anglaise), la batterie et la machine électrique ont une puissance de l'ordre de 10 kW environ. Un système assez classique dans l'industrie automobile actuelle consiste à remplacer l'alternateur par une machine électrique type alterno-démarreur, qui permettra de répondre à une partie de la demande d'accélération, et de récupérer de l'énergie en décélération. Le ratio de démultiplication est fixé par la courroie d'entraînement. Un tel véhicule hybride comprend un réseau électrique « haute tension » (par ex. 48V) qui relie la batterie Lithium-ion, la machine électrique ainsi qu'un convertisseur DCDC permettant d'alimenter le réseau de bord 14V. Afin de mettre cette caractéristique en valeur, il peut être intéressant d'afficher sur une interface homme machine (acronyme IHM), le gain de consommation du véhicule hybride, par rapport à un véhicule conventionnel de même performance. Toutefois, il n'existe pas de méthode d'estimation de la consommation d'un moteur thermique équivalent en performance à un groupe motopropulseur à hybridation légère, à partir des informations disponibles dans un tel groupe motopropulseur hybride. En effet, l'état de la technique antérieur ne comprend pas d'enseignement relatif à ce problème technique. Tout au plus connait on le document W02011125085A1 toutefois assez éloigné du problème considéré. L'invention a pour objet un procédé de détermination de la consommation de carburant d'un groupe motopropulseur thermique de puissance équivalente à celle d'un groupe motopropulseur hybride comprenant un moteur thermique et une machine électrique. Le procédé comprend les étapes suivantes : on calcule un couple thermique équivalent égal à la somme du couple du moteur thermique du véhicule hybride et du produit du couple de la machine électrique du véhicule hybride par le ratio d'entraînement, le ratio d'entraînement étant idéal puis on détermine la consommation instantanée de carburant d'un véhicule équivalent muni uniquement d'un moteur thermique développant le couple thermique équivalent déterminé. Pour déterminer la consommation instantanée de carburant du moteur thermique du véhicule équivalent, on peut déterminer la consommation instantanée de carburant du moteur thermique du véhicule hybride, on peut déterminer un coefficient de pondération de la consommation instantanée de carburant du moteur thermique du véhicule hybride, et on peut déterminer la consommation instantanée de carburant du moteur thermique du véhicule équivalent, en multipliant la consommation instantanée de carburant du moteur thermique du véhicule hybride par le coefficient de pondération.

Le coefficient de pondération de la consommation instantanée peut être égal au couple thermique équivalent divisé par le couple du moteur thermique du véhicule hybride. Le coefficient de pondération de la consommation instantanée peut être égal à la somme du couple thermique équivalent avec un terme de correction de la consommation électrique du réseau de bord divisée par le couple du moteur thermique du véhicule hybride, le terme de correction étant égal à la puissance consommée par le réseau de bord multipliée par un écart de rendement entre un premier ensemble de composants du véhicule hybride et un deuxième ensemble de composants du véhicule équivalent, et divisée par la vitesse de rotation en sortie du groupe motopropulseur, le premier ensemble de comprenant l'alterno-démarreur, composants du véhicule hybride la courroie d'entraînement de l'alterno-démarreur, le convertisseur DCDC et la batterie et un deuxième ensemble de composants du véhicule équivalent comprenant un alternateur, la courroie d'entraînement du démarreur et une batterie. On peut déterminer la vitesse de rotation du groupe motopropulseur du véhicule hybride et on peut estimer la consommation instantanée de carburant du moteur thermique équivalent, comme la consommation issue d'une cartographie de consommation spécifique équivalente en fonction du couple thermique équivalent et de la vitesse de rotation du groupe motopropulseur du véhicule hybride. On peut corriger le couple thermique équivalent pour tenir compte de la différence d'efficacité électrique du réseau de bord du véhicule hybride et du véhicule équivalent en ajoutant un terme égal à la puissance électrique consommée par le réseau de bord divisée par la vitesse de rotation du groupe motopropulseur du véhicule hybride et multipliée par un écart de rendement entre un premier ensemble de composants du véhicule hybride et un deuxième ensemble de composants du véhicule équivalent, le premier ensemble de composants du véhicule hybride comprenant l'alterno-démarreur, la courroie d'entraînement de l'alterno-démarreur, le convertisseur DCDC et la batterie et un deuxième ensemble de composants du véhicule équivalent comprenant un alternateur, la courroie d'entraînement du démarreur et une batterie. Lorsque le couple thermique équivalent n'est pas compris dans la cartographie de consommation spécifique équivalente, on peut extrapoler linéairement la consommation en fonction des valeurs de la cartographie de consommation spécifique équivalente à la vitesse de rotation du groupe motopropulseur. On peut corriger la consommation équivalente, en ajoutant un terme de compensation lié à la présence ou à l'absence de fonctionnalité « Démarrage et arrêt » dans le véhicule thermique de référence ou le véhicule hybride. On peut calculer l'écart entre la mesure de consommation de carburant du moteur thermique du véhicule hybride et celle issue de la cartographie, puis on mémorise l'erreur calculée en fonction du couple thermique équivalent et de la vitesse de rotation dans une cartographie supplémentaire, de même dimension que la cartographie de consommation spécifique équivalente, et, pour un même point de fonctionnement, on intègre l'erreur sur une durée ou une distance mémorisée, et en parallèle, on soustraie l'écart de la consommation issue de la cartographie.

Le procédé de commande présente l'avantage d'estimer de façon simple dans un véhicule hybride (hors ZEV, acronyme anglais pour « zero emission vehicle »), la consommation instantanée, moyenne, d'un véhicule thermique de performance équivalente en vue d'un affichage sur un IHM, ce qui permet de mettre en valeur l'apport de l'hybridation D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre les principales étapes du procédé de commande selon un premier mode de réalisation, - la figure 2 illustre les principales étapes du procédé de commande selon un deuxième mode de réalisation, - la figure 3 illustre les principales étapes du procédé de commande selon un troisième mode de réalisation, et - la figure 4 illustre les principales étapes du procédé de commande selon un quatrième mode de réalisation. L'unité de contrôle du véhicule hybride comprend des mesures, des consignes ou estimations nécessaires au procédé de détermination, notamment la consommation de carburant instantané du moteur thermique notée Conso, la consigne de couple de la machine électrique CmE, la consigne de couple indiqué du moteur thermique Cmth, la consommation de puissance électrique instantanée PA' du réseau de bord si le véhicule dispose d'un convertisseur continu-continu, également appelé convertisseur DCDC, et la vitesse de rotation du moteur thermique nmth. Le procédé de détermination débute par une première étape 1 au cours de laquelle on calcule la contribution du moteur thermique, à la puissance globale dépensée par le véhicule hybride à tout instant. La puissance indiquée du moteur thermique PMth est le produit de la consigne de couple indiqué Cmth par sa vitesse de rotation mesurée nmth. P - C çà Mth Mth Mth (E q. 1) La puissance indiquée de la machine électrique PME est le produit de la consigne de couple de la machine électrique CmE par sa vitesse de rotation mesurée nME P C - ME - ME ME Le groupe motopropulseur thermique comprenant le moteur thermique et la machine électrique, sa puissance équivalente Peq s'écrit de la sorte. (Eq. 2) Peq PMth ± PME (Eq. 3) Elle peut être reformulée en remplaçant Pmth et PME par leurs expressions (Eq. 1 et 2) et en considérant que le moteur thermique et la machine électrique présentent la même vitesse de rotation en considérant le ratio d'entraînement k de la machine électrique : n Mt h- mE /k-ne q- (Eq. 4) On obtient alors : Peq = (CMth kCMEMth Ceqneq (Eq. 5) Avec : Ceci : le couple thermique équivalent e la vitesse de rotation équivalente k : le ratio d'entraînement de la machine électrique. On considère le ratio d'entraînement k constant, en négligeant un éventuel glissement de la courroie par exemple. On a un rendement de transmission idéal égal à 100%. Au cours d'une deuxième étape 2, on détermine la consommation instantanée de carburant d'un véhicule conventionnel, qui disposerait uniquement d'un moteur thermique pour fournir la puissance globale équivalente. Pour cela, on peut utiliser trois méthodes différentes décrites ci-dessous. Une première méthode de détermination de la consommation équivalente est basée sur la mesure de consommation instantanée réelle du moteur thermique seul. On pose comme hypothèse, que la consommation spécifique équivalente (CSE en [g/kWh]) du moteur thermique de performances équivalentes est égale à la CSE du moteur thermique du groupe motopropulseur hybride à l'instant t. C'est une hypothèse forte qui n'est acceptable que dans la mesure où la contribution de la machine électrique est faible. On linéarise ainsi la variation de consommation, en fonction de la variation du couple. Il y a un risque de sous-estimation pour les fortes charges. La consommation instantanée du groupe motopropulseur conventionnel est estimée de la façon suivante : Consoeq =Conso* KEq (Eq. 6) Avec Cons% : La consommation instantanée estimée d'un véhicule thermique de même performance Conso : La consommation instantanée mesurée du moteur thermique associé au groupe motopropulseur hybride K e q Coefficient de pondération de la consommation instantanée Le coefficient Keq représente la contribution du moteur thermique à la puissance globale fournie par le groupe motopropulseur hybride. Il est déterminé de la façon suivante : (Eq. 7) Eq C kCmE CME Mth = 1 k CNIth CNIth Sur la figure 1, on peut voir les étapes 1 et 2. On peut également voir qu'au cours d'une première sous-étape 3a, on détermine la consommation instantanée du moteur thermique du véhicule hybride, puis on détermine au cours d'une deuxième sous- étape 3b le coefficient de pondération, puis on détermine à la troisième sous-étape 3c la consommation instantanée estimée d'un véhicule équivalent. Une autre méthode de détermination de la consommation équivalente repose sur l'utilisation de la cartographie de la consommation spécifique équivalente CSE en fonction du couple et de la vitesse de rotation du moteur à combustion interne. Une telle cartographie est présente dans le contrôle des groupes motopropulseurs et permet d'obtenir la consommation spécifique du moteur thermique sur chaque point de fonctionnement. Cette cartographie peut être renseignée grâce à des mesures sur un banc d'essai. Après calcul du couple thermique équivalent Ceci dérivé de l'équation Eq. 5, on estime la consommation correspondante grâce à cette cartographie au cours d'une sous-étape 4. Ceci est illustré par la figure 2 sur laquelle on voit également les étapes 1 et 2. Il est à noter que ce calcul n'est possible que si la somme des couples thermiques et électriques reste dans le champ du moteur thermique seul. Dans le cas d'un « surcouple » électrique, où l'on dépasse la performance du moteur thermique seul, on peut envisager d'utiliser la méthode n°1 en complément, en extrapolant ainsi le surplus de consommation, à partir de la valeur obtenue en pleine charge. Le résultat obtenu aura cependant une certaine imprécision.

Une troisième méthode permet de prendre en compte la consommation du réseau de bord dans le calcul de la consommation équivalente. Pour affiner le calcul de la consommation équivalente d'un véhicule thermique, et ainsi le gain obtenu avec le groupe motopropulseur hybride, on peut prendre en compte la consommation du réseau de bord. En effet, le rendement électrique du système comprenant l'alterno-démarreur, la courroie, le convertisseur DCDC et la batterie 48V est meilleur que celui du système classique comprenant un alternateur, une courroie et une batterie 12V, présent sur un véhicule thermique. Ces caractéristiques peuvent être mesurées sur banc, et cartographiées dans le logiciel de contrôle groupe motopropulseur. On détermine la puissance électrique PA' consommée par le réseau de bord qui est le produit de la mesure de tension UBT du réseau de bord par la mesure de courant IBT du réseau de bord en sortie du convertisseur DCDC (côté basse tension) P - U 1 cc BT BT (Eq. 8) Le couple thermique équivalent prend alors l'expression suivante : (P * Ceq -C,,,,,+kCME ± Acc All Elec) (Eq. 9) Mth Avec : AllElec : écart de rendement électrique global entre un premier ensemble de composants du véhicule mild-hybride comprenant 1' alterno-démarreur, la courroie d' entraînement de 1 ' alterno- démarreur, le convertisseur DCDC et la batterie et un deuxième ensemble de composants du véhicule équivalent comprenant un alternateur, une courroie d'entraînement de l'alternateur et une batterie. Appliqué à la première méthode, au cours d'une sous-étape 5 s'intercalant entre la sous-étape 3a et la sous-étape 3c, il permet de déterminer un nouveau coefficient Keq tenant compte de l'efficacité du réseau de bord. La figure 3 illustre ces sous étapes ainsi que les étapes 1 et 2. Le calcul du coefficient Keq devient : (Eq. 10) K ± PME ± (PAcc* Elec) Eq- Appliqué à la seconde méthode au cours d'une sous étape 6 s'intercalant entre l'étape 1 et la sous étape 4, l'expression du couple thermique équivalent tenant compte de l'efficacité du réseau de bord (Eq. 9) permet de calculer la consommation par lecture dans la cartographie de consommation spécifique équivalente. Ceci est illustré par la figure 4 sur laquelle on peut également voir les étapes 1 et 2. Quelle que soit la méthode utilisée, une fois calculée la consommation instantanée équivalente, il est possible de déterminer également la consommation moyenne, ou le gain sur un trajet donné, du véhicule hybride par rapport à un véhicule conventionnel.

La première méthode risque de présenter un écart important, à cause de l'approximation faite au départ, concernant le point de fonctionnement. Les autres méthodes sont plus précises, mais peuvent présenter une dérive dans le temps, entre la valeur donnée par la cartographie de CSE, et la valeur mesurée de la consommation. Cette dérive peut avoir plusieurs origines, notamment un vieillissement des organes du véhicule, un remplacement de ces organes,... Si le véhicule thermique de référence ou le véhicule hybride a une fonctionnalité S&S (acronyme pour la « Start and Stop »), on peut ajouter un terme Cs&s dans le calcul de la consommation équivalente. Il s'agit de compenser la présence ou l'absence de fonctionnalité S&S qui modifie la consommation effective du véhicule dans lequel elle est installée.

Par ailleurs, il peut être pertinent de compenser la dérive entre consommation estimée et consommation réelle par une méthode d'apprentissage permettant de recaler la valeur cartographiée de consommation spécifique équivalente. Pour cela, on calcule l'écart entre la mesure de consommation de carburant du moteur thermique du véhicule hybride et celle issue de la cartographie, puis on mémorise l'erreur calculée en fonction du couple thermique équivalent et de la vitesse de rotation dans une cartographie supplémentaire, de même dimension que la cartographie de consommation spécifique équivalente. Le calcul d'erreur peut être réalisé pour chaque point de fonctionnement (couple, vitesse de rotation) en intégrant les différences valeurs d'écarts sur une durée écoulée ou une distance parcourue mémorisée. En parallèle de l'apprentissage, on compense l'écart par soustraction de l'écart de la consommation estimée.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de détermination de la consommation de carburant d'un groupe motopropulseur thermique de puissance équivalente à celle d'un groupe motopropulseur hybride comprenant un moteur thermique et une machine électrique, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes : on calcule un couple thermique équivalent égal à la somme du couple du moteur thermique du véhicule hybride et du produit du couple de la machine électrique du véhicule hybride par le ratio d'entraînement, le ratio d'entraînement étant idéal puis on détermine la consommation instantanée de carburant d'un véhicule équivalent muni uniquement d'un moteur thermique développant le couple thermique équivalent déterminé.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on détermine la consommation instantanée de carburant du moteur thermique du véhicule hybride, on détermine un coefficient de pondération de la consommation instantanée de carburant du moteur thermique du véhicule hybride, on détermine la consommation instantanée de carburant du moteur thermique du véhicule équivalent, en multipliant la consommation instantanée de carburant du moteur thermique du véhicule hybride par le coefficient de pondération.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le coefficient de pondération de la consommation instantanée est égal au couple thermique équivalent divisé par le couple du moteur thermique du véhicule hybride.
4. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le coefficient de pondération de la consommation instantanée est égal à la somme du couple thermique équivalent avec un terme de correction de la consommation électrique du réseau de bord divisée par le couple du moteur thermique du véhicule hybride, le terme de correction étant égal à la puissance consommée par le réseau de bord multipliée par un écart de rendement entre unpremier ensemble de composants du véhicule hybride et un deuxième ensemble de composants du véhicule équivalent, et divisée par la vitesse de rotation en sortie du groupe motopropulseur, le premier ensemble de composants du véhicule hybride comprenant l'alterno-démarreur, la courroie d'entraînement de l'alterno-démarreur, le convertisseur DCDC et la batterie et un deuxième ensemble de composants du véhicule équivalent comprenant un alternateur, la courroie d'entraînement du démarreur et une batterie.
5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on détermine la vitesse de rotation du groupe motopropulseur du véhicule hybride et on estime la consommation instantanée de carburant du moteur thermique équivalent, comme la consommation issue d'une cartographie de consommation spécifique équivalente en fonction du couple thermique équivalent et de la vitesse de rotation du groupe motopropulseur du véhicule hybride.
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel on corrige le couple thermique équivalent pour tenir compte de la différence d'efficacité électrique du réseau de bord du véhicule hybride et du véhicule équivalent en ajoutant un terme égal à la puissance électrique consommée par le réseau de bord divisée par la vitesse de rotation du groupe motopropulseur du véhicule hybride et multipliée par un écart de rendement entre un premier ensemble de composants du véhicule hybride et un deuxième ensemble de composants du véhicule équivalent, le premier ensemble de composants du véhicule hybride comprenant l'alterno-démarreur, la courroie d'entraînement de l'alterno-démarreur, le convertisseur DCDC et la batterie et un deuxième ensemble de composants du véhicule équivalent comprenant un alternateur, la courroie d'entraînement du démarreur et une batterie.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, dans lequel, lorsque le couple thermique équivalent n'est pas compris dans la cartographie de consommation spécifique équivalente, onextrapole linéairement la consommation en fonction des valeurs de la cartographie de consommation spécifique équivalente à la vitesse de rotation du groupe motopropulseur.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on corrige la consommation équivalente, en ajoutant un terme de compensation lié à la présence ou à l'absence de fonctionnalité « Démarrage et arrêt » dans le véhicule thermique de référence ou le véhicule hybride.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on calcule l'écart entre la mesure de consommation de carburant du moteur thermique du véhicule hybride et celle issue de la cartographie, puis on mémorise l'erreur calculée en fonction du couple thermique équivalent et de la vitesse de rotation dans une cartographie supplémentaire, de même dimension que la cartographie de consommation spécifique équivalente, et, pour un même point de fonctionnement, on intègre l'erreur sur une durée ou une distance mémorisée, et en parallèle, on soustraie l'écart de la consommation issue de la cartographie.