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Contexte actuel du marché automobile
Aujourd’hui, le marché automobile est contraint de manière complexe par plu-sieurs facteurs. Les contraintes sont tout d’abord liées aux propriétaires de véhi-cules : ces derniers veulent un véhicule performant et si possible peu polluant tout en satisfaisant leurs exigences de confort et de budget. D’autre part, un certain nombre d’autorités nationales et internationales, poussées par les lobbies écolo-giques et la prise de conscience des personnes au sein de nombreux pays, élaborent des normes de plus en plus restrictives pour le marché automobile. A cela s’ajoutent des contraintes économiques fortes comme l’augmentation durable du prix des ma-tières premières et notamment du baril de pétrole.
Contexte environnemental
La fin du XXemeµ siècle fut marquée par une prise de conscience sur l’impor-tance de préserver l’environnement. Ainsi, la lutte contre tout type de pollutions est devenue un argument de vente. Ces pollutions sont majoritairement perçues de deux manières : celles influant directement sur la santé des personnes et celles mettant en péril le climat ou l’environnement. Pour comprendre les attentes d’un client désirant acheter un véhicule ainsi que les différentes législations encadrant sa commercialisation, il convient de voir un ensemble de faits, ainsi que les hypothèses formulées par les climatologues.
Problématique climatique
En ce qui concerne le climat, la grande majorité des spécialistes est pessimiste et active régulièrement la sonnette d’alarme dans le but de modifier nos comportements. Ils appuient leurs craintes sur les faits suivants :
– la hausse des températures moyennes à la surface du globe. Celles-ci ont anormalement augmenté d’un degré au cours du XXemeµ siècle.
– la fonte des glaciers et de la banquise. De nombreuses études montrent un recul net des glaces, à la fois au sein des grands massifs montagneux et des banquises.
– l’augmentation du niveau de la mer.
– l’accélération de l’occurrence de phénomènes climatiques violents, tels que des cyclones ou des tempêtes. On mesure également une augmentation de la fréquence des phases de sécheresse dans certaines régions du globe.
Les spécialistes convaincus de la corrélation entre ces dérèglements et l’activité humaine pensent que cela est dû au rejet dans l’atmosphère de gaz à effet de serre, en particulier de CO2. Ceci aurait pour effet mécanique d’augmenter la tempéra-ture terrestre et alors de dérégler le climat. Cette thèse est appuyée par le fait que les courbes d’évolution de la teneur en CO2 dans l’atmosphère et de température de la surface terrestre, sont intimement liées sur le dernier millénaire. Selon un rapport du GIEC, le groupement d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat, la probabilité que le réchauffement climatique soit dû à l’activité humaine est supérieure à 90% (voir [GIE07]). L’augmentation brutale de cette température au XIXemeµ et XXemeµ siècles serait une conséquence directe de l’activité indus-trielle humaine mais aussi des transports.
Les modèles de prévision élaborés par les spécialistes avançant cette thèse dé-gagent des perspectives alarmantes pour la Terre. Ils prévoient en effet une accé-lération de l’augmentation des températures, une hausse massive du niveau de la mer et de nombreuses épisodes de sécheresse ou de tempête.
Il est toutefois important de noter que cette thèse est contestée par certains climatologues. Ces derniers soutiennent qu’une telle évolution pourrait être le fruit des fluctuations de l’activité solaire ou remettent en cause les protocoles suivis dans de nombreuses études.
Un des principaux gaz à effet de serre rejetés dans l’atmosphère est le CO2. Dans cette mesure, la part d’émission de gaz à effet de serre imputée au secteur du transport est importante. A titre d’exemple, elle est évaluée à 25% en France.
Problématique sanitaire
D’autres problèmes sont engendrés par la pollution de l’air, imputée à l’activité humaine et en partie au secteur des transports. Les gaz incriminés ne sont plus à effet de serre mais nocifs puisque présents dans l’air que l’on respire. Ces gaz sont principalement les précurseurs de l’ozone ou N Ox, et le monoxyde de carbone CO. Les N Ox sont en fait les monoxyde et dioxyde d’azote N O et N O2. Ici, ni la provenance de ces gaz ni leur effet négatif sur la santé ne sont discutés. En milieu urbain, une part importante de ces gaz est rejetée par les véhicules à moteur. Les conséquences du rejet de tels gaz dans l’atmosphère sont importantes : d’une part elles sont la source de problèmes respiratoires chez l’homme, et d’autre part elles compromettent l’équilibre de certains ecosystèmes.
Il faut également noter l’importance des microparticules dans la pollution en-gendrée par les véhicules à moteur. Ce sont principalement des suies, particules cancérigènes riches en carbone, résidus de combustions incomplètes (rejet de mo-teurs Diesel, ou de l’activité industrielle, du chauffage au bois résidentiel). Ces microparticules se logent dans les poumons et génèrent elles aussi des problèmes respiratoires.
Normes et législation
Poussées par de forts lobbies écologiques et par une demande globale de la po-pulation, plusieurs autorités ont pris des mesures obligeant ou incitant les construc-teurs à produire des véhicules moins polluants. Elles peuvent être de deux natures : la mise en place de normes rendant obligatoire le respect d’un cahier des charges, et les incitations financières. De telles mesures ont été prises à la fois au niveau international comme les normes Euro I jusqu’à Euro V au sein de la Communauté Européenne, ou plus localement comme les incitations financières en France.
Incitation par la mise en place de normes
Au niveau européen, plusieurs normes ont été prises afin de limiter les émissions de gaz polluant. Elles imposent des limites sur les rejets de N Ox, de CO, d’hydrocarbures et de microparticules. Ces limites sont propres au carburant consommé par le véhicule : essence ou diesel. La première norme concerne les véhicules mis en service après 1993 : c’est la norme Euro I. Par la suite, de nouvelles normes sont régulièrement apparues et la norme en vigueur en 2008 est Euro IV. Celle-ci sera encore durcie en 2009 par la norme Euro V, puis en 2014.
Les figures 2.1 et 2.2 présentent l’évolution des normes européennes pour les véhicules particuliers essence et diesel. Les contraintes que représentent ces normes pour les constructeurs sont très fortes et évoluent vite. Elles s’avèrent très efficaces puisque les premières conséquences de ces normes sur la qualité de l’air en milieu urbain sont mesurables.
Figure 2.1 – Normes Euro I, II, III et IV pour les moteurs à essence en mg/km
Des normes du même type ont été adoptées au sein d’autres administrations, notamment au Japon et aux Etats-Unis. Les niveaux de restriction de ces deux jeux de normes sont globalement du même ordre que ceux fixés par la Communauté Européenne. La seule différence significative est le taux de CO rejeté autorisé aux Etats-Unis qui est plus élevé qu’en Europe ou au Japon. En contrepartie, un effort très important est réalisé en Californie, qui est devenu le leader mondial de la lutte contre la pollution automobile dans le monde.
Incitation par l’octroi de subventions
Le deuxième moyen pour inciter les constructeurs automobiles à produire des véhicules moins polluants est l’octroi de subventions. En facilitant l’accès à une certaine classe de véhicules, on oriente naturellement les ventes vers celle-ci. De telles mesures ont été adoptées par plusieurs administrations. Par exemple, on peut citer le système de bonus / malus instauré en France au 1er janvier 2008. Ce système a pour but de diminuer le rejet moyen en CO2 des véhicules vendus. Pour cela, un bonus est perçu par un acheteur de véhicule peu polluant en terme de CO2 (1000 euros pour moins de 100g=km de CO2, 700 euros entre 101 et 120g=km et 200 euros entre 121 et 130g=km). En contrepartie un malus est appliqué pour les véhicules plus polluants (200 euros entre 161 et 165g=km, 750 euros entre 166 et 200g=km, 1600 euros entre 201 et 250g=km et 2600 euros après 251g=km). En principe, l’argent obtenu par le paiement de malus devrait financer les bonus.
Evolution du marché automobile
Evolution des attentes des conducteurs
Depuis plusieurs années, deux phénomènes tendent à faire évoluer le marché de l’automobile. C’est d’une part la prise de conscience sur l’environnement, que nous avons vue précédemment, et d’autre part l’augmentation du prix des carburants. C’est dans ce contexte que s’est lancée une véritable chasse aux grammes de CO2 par kilomètre chez les constructeurs automobiles. Il est intéressant de noter que le taux de CO2 rejeté est intimement lié à la consommation du véhicule, qui est devenue un des premiers arguments de vente des constructeurs. Tout un ensemble de solutions a donc été envisagé allant de l’optimisation de l’injection jusqu’à la conception de véhicules électriques, en passant par l’étude de transmissions hy-brides.
Il existe toutefois deux types de comportements. Certains conducteurs suivent une logique uniquement économique. Dans ce cas, une baisse de la consomma-tion n’est intéressante que si le surcoût du véhicule est vite amorti. A l’inverse, un conducteur dont le but est de préserver l’environnement cherchera la moindre baisse de consommation, pourvu que le surcoût soit raisonnable. Il existe une seconde dif-férence importante entre ces deux types de conducteurs. En effet, le premier a pour seul but la réduction de ses dépenses de carburant et donc de sa consommation. Pour le second, le rejet de CO2 est un point essentiel, mais au même titre que les rejets de N Ox, de CO ou de microparticules.
Comme nous l’avons évoqué, des solutions diverses ont été imaginées pour aller dans ce sens. Elles peuvent être classées en trois catégories : celles qui font déjà partie de la norme, celles qui se développent fortement et celles qui n’ont pas encore été commercialisées à grande échelle.
Solutions largement répandues
Certaines solutions pour réduire la consommation ainsi que le rejet de pro-duits nocifs sont aujourd’hui pérennes. On peut tout d’abord citer les efforts qui ont été faits au niveau de l’injection de carburant dans le moteur. L’utilisation de turbo-compresseurs, de l’injection directe ou de la réinjection partielle de gaz d’échappement a considérablement accru les performances des moteurs diesel. Avec un peu de retard, des efforts similaires sont actuellement viables pour les moteurs à essence. Ces systèmes permettent une combustion complète (du moins plus abou-tie) des gaz. Ceci a pour effet d’une part de réduire la consommation, et d’autre part de limiter les rejets de gaz nocifs.
Une deuxième solution, aujourd’hui largement répandue, est le filtre à parti-cule. Il s’agit d’un organe situé sur la ligne d’échappement, et dont le rôle est d’arrêter les microparticules. Celles-ci s’accumulent dans le filtre et ont tendance à le boucher : il faut donc régulièrement le régénérer. Afin d’éviter de compliquer la maintenance du véhicule, ceci est fait régulièrement et de manière automatique : lorsque le filtre est plein, la température de celui-ci augmente ce qui a pour effet de brûler les particules. Elles peuvent alors être rejetées dans l’atmosphère.
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Table des matières
1 Introduction générale
2 Contexte industriel
2.1 Introduction
2.2 Contexte actuel du marché automobile
2.2.1 Contexte environnemental
2.2.1.1 Problématique climatique
2.2.1.2 Problématique sanitaire
2.2.2 Normes et législation
2.2.2.1 Incitation par la mise en place de normes
2.2.2.2 Incitation par l’octroi de subventions
2.2.3 Evolution du marché automobile
2.2.3.1 Evolution des attentes des conducteurs
2.2.3.2 Solutions largement répandues
2.2.3.3 Solutions en fort développement
2.2.3.4 D’autres solutions pour demain ?
2.3 Histoire des véhicules électriques et hybrides
2.3.1 Les premiers pas de la propulsion électrique
2.3.2 Des années 60 à nos jours
2.3.2.1 Les années 60 et 70 : le renouveau
2.3.2.2 Des années 80 à nos jours : développement de plusieurs modèles
2.4 Caractéristiques des architectures hybrides
2.4.1 Organes caractérisant un véhicule hybride
2.4.1.1 Moteur thermique
2.4.1.2 Machines électriques
2.4.1.3 Éléments mécaniques
2.4.1.4 Variateur de vitesse
2.4.1.5 Batterie
2.4.1.6 Électronique de puissance
2.4.2 Classification des véhicules hybrides
2.4.2.1 Hybrides séries
2.4.2.2 Hybrides parallèles
2.4.2.3 Hybrides mixtes
2.4.2.4 Types de transmission
2.4.3 Prestations offertes par les véhicules hybrides
2.4.3.1 Performances / consommation
2.4.3.2 Agrément de conduite
2.4.3.3 Classification selon les prestations
2.5 Conclusion
3 Modélisation des transmissions hybrides et introduction au contrôle de groupes moto-propulseurs hybrides
3.1 Introduction
3.2 Introduction au contrôle de GMP hybrides
3.2.1 Structure globale du contrôle
3.2.1.1 L’IVC : Interprétation de la Volonté du Conducteur
3.2.1.2 L’OPF : Optimisation du Point de Fonctionnement
3.2.1.3 Le COS : COntrôle des Systèmes
3.2.1.4 Les calculateurs locaux
3.2.2 Structures possibles de COS
3.3 Eléments de modélisation des transmissions hybrides
3.3.1 Eléments communs de modélisation
3.3.2 Etude de la puissance dérivée
3.3.2.1 Pour une transmission continue (IVT)
3.3.2.2 Pour les structures hybrides
3.4 Etude d’un ensemble de structures hybrides
3.4.1 Architecture série
3.4.2 Architecture parallèle (Honda Insight)
3.4.3 Architecture parallèle à 4 roues motrices
3.4.4 Architectures mixtes
3.4.4.1 Toyota Prius
3.4.4.2 L’hybride bi-mode
3.4.4.2.1 TIVA
3.4.4.2.2 HEAT
3.4.4.2.3 Hybride bi-mode GM
3.4.5 Architecture mixte à 4 roues motrices (Lexus RX400h)
3.5 Modélisation universelle des hybrides
3.6 Conclusion
4 Etude approfondie du modèle d’une transmission : TIVA
4.1 Introduction
4.2 Prise en compte des amortissements mécaniques
4.2.1 Mise en évidence de la nécessité de la prise en compte des amortissements mécaniques
4.2.2 Amélioration du modèle
4.2.3 Pôles du système prenant en compte les amortissements
4.3 Simplification du modèle
4.4 Structure du COS pour TIVA
4.4.1 Structure générale
4.4.2 Proposition de nouvelle structure à 2 étages
4.4.2.1 Motivation
4.4.2.2 Principe
4.4.2.3 Correcteur K2
4.4.2.4 Modèle de synthèse du correcteur K1
4.4.2.5 Avantages et amélioration possible
4.5 Conclusion
5 Préambule à la synthèse du COS
5.1 Introduction
5.2 Spécificités du système TIVA
5.2.1 Définition des systèmes LPV
5.2.1.1 Systèmes LPV
5.2.1.2 Systèmes quasi-LPV
5.2.1.3 Cas de TIVA
5.2.2 Propriétés
5.2.2.1 Systèmes polytopiques
5.2.2.2 Polytope considéré pour TIVA
5.2.2.3 Etude des systèmes quasi-LPV
5.3 Méthodologie
5.4 Cahier des charges
5.4.1 Les différents modes opératoires
5.4.2 Intérêt de la structure à 2 étages
5.4.3 Définition des fonctions de sensibilité
5.4.4 Traduction du cahier des charges en gabarits fréquentiels
5.5 Conclusion
6 Synthèse d’un correcteur K1 1
6.1 Introduction
6.2 Outils de base
6.2.1 Norme H1
6.2.1.1 Valeurs singulières
6.2.1.2 Norme H1
6.2.2 Calcul de la norme H1 d’un système
6.2.2.1 Méthode de calcul
6.2.2.2 Introduction à la résolution de LMI
6.3 Synthèse H1 dans le cas LTI
6.3.1 Principe – problème H1 standard
6.3.2 Méthodes de résolution du problème H1 standard
6.3.2.1 Résolution par équations de Riccati
6.3.2.2 Résolution par LMI
6.3.3 Utilisation de filtres pré- et post-compensateurs – Tracé des fonctions caractéristiques d’un système dans le cas multivariable
6.3.3.1 Prise en compte d’un cahier des charges par l’utilisation de filtres
6.3.4 Intérêt et avantages de la synthèse H1
6.4 COS LTI pour TIVA
6.4.1 Choix des pondérations fréquentielles
6.4.2 Choix du point de fonctionnement pour la synthèse
6.4.3 Correcteur obtenu
6.5 Extension de la synthèse H1 au cas LPV
6.6 COS LPV pour TIVA
6.7 Conclusion
7 Analyse du correcteur / simulations
7.1 Introduction
7.2 Tracé des fonctions caractéristiques pour les systèmes multivariables
7.3 Analyse de la stabilité de notre système
7.3.1 ¹-analyse
7.3.1.1 Définition
7.3.1.2 Pour TIVA
7.3.2 Analyse quadratique de Lyapunov
7.3.2.1 Approche de Lyapunov
7.3.2.2 Approche de Lyapunov pour les systèmes LPV polytopiques et affines
7.3.2.3 Stabilité de notre système
7.4 Analyse des performances de notre système
7.4.1 Gain L2
7.4.1.1 Définition
7.4.1.2 Méthode de calcul
7.4.2 Tracé des évaluations de fonctions de sensibilité
7.4.2.1 Utilisation de gabarits fréquentiels
7.4.2.2 Obtention de tracés fréquentiels
7.4.2.3 Application à notre système en boucle fermée : cas d’un correcteur LTI
7.4.2.4 Application à notre système en boucle fermée : cas d’un correcteur LPV
7.5 Validation des lois de commande par simulation
7.5.1 Résultats obtenus sur le modèle simple
7.5.2 Comparaison des correcteurs LTI et LPV par simulation
7.5.3 Résultats sur un simulateur complet
7.6 Conclusion
8 Mise sous forme implémentable et essais temps-réel
8.1 Introduction
8.2 Implémentation du COS
8.2.1 Interprétation du correcteur
8.2.2 Discrétisation
8.2.3 Initialisation
8.2.3.1 Critère d’initialisation
8.2.3.2 Méthode d’initialisation
8.3 Résultats obtenus sur prototype
8.4 Conclusion
9 Conclusion générale
Annexe 1 : Publication pour l’IFAC World congress 2008
Annexe 2 : Brevet publié dans le cadre de la thèse
Références bibliographiques
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