L’hybridation des groupes motopropulseurs est une étape importante vers une mobilité efficace et propre. L’un des principaux avantages des moteurs hybrides est la possibilité de déplacer le point de fonctionnement du moteur thermique vers des gammes à meilleur rendement et représentant des modes de conduite purement électriques. Ce déplacement du point de charge peut être encore optimisé sur la base des données d’itinéraire qui incluent la vitesse prévue du véhicule ainsi que la pente de la route, et est considéré comme étant à la pointe en matière de propulsion hybride moderne.

En combinaison avec le développement de fonctions de conduite prédictive et automatisée, d’autres potentiels peuvent être exploités. Le facteur clé d’une réduction effective des besoins en énergie dans des conditions réelles de conduite est une prévision précise de l’évolution future d’une situation de trafic. Cette prévision peut être basée sur une multitude de sources potentielles, telles que les données des capteurs, les cartes à haute résolution et la communication avec les véhicules, où toutes les données sont fusionnées dans un modèle environnemental complet.

Sur la base des informations de ce modèle, le guidage longitudinal du véhicule et la commande du groupe motopropulseur peuvent être optimisés. En collaboration avec l’Institute for Combustion Engines, FEV a développé une structure fonctionnelle capable d’utiliser une multitude de sources de données potentielles. Ceci crée un espace de solution pour l’optimisation prédictive du profil de vitesse. Ce profil de vitesse peut ensuite être utilisé afin d’optimiser le fonctionnement de la répartition du couple entre les composants hybrides.

La structure fonctionnelle a été intégrée dans un véhicule hybride prototype construit conjointement avec DENSO. Un algorithme de contrôle prédictif, robuste et modèle temps réel, est utilisé afin d’optimiser le guidage longitudinal du véhicule.

Le véhicule concept HYBex 3

Le véhicule HYBex 3 a été développé afin de déterminer l’impact d’un concept de transmission DHT économique sur la maniabilité du véhicule et de le tester en conditions réelles. Il a été développé conjointement avec DENSO AUTOMOTIVE Allemagne. Le véhicule de base est une MINI Cooper avec un moteur turbocompressé à trois cylindres de 100 kW. La transmission de série a été remplacée par la transmission hybride à examiner, qui a été spécialement développée à cette occasion.

La topologie du groupe motopropulseur est équivalente à celle d’un hybride mixte équipé de deux moteurs électriques (EM) en configuration P2/P3. La machine P2 est située entre l’embrayage électro-hydraulique et le réducteur à engrenages droits à deux étages. Les éléments de synchronisation sont également actionnés électro-hydrauliquement. La machine P3 est positionnée à la sortie de transmission et a donc un rapport de transmission fixe à la roue.

Différents modes de fonctionnement peuvent être représentés avec cette transmission DHT. Pour la conduite purement électrique, le moteur thermique est arrêté et l’embrayage est ouvert. Le moteur électrique P2 peut donc fonctionner dans les deux étages de transmission. En plus d’un couple de démarrage élevé en première, cela permet une vitesse maximale de 140 km/h en deuxième.

En mode hybride, la conduite en série ou en parallèle est possible. En fonctionnement parallèle, l’un des deux jeux de pignons est engagé. En mode de fonctionnement en série, la transmission est mise au point mort. Le moteur à combustion est alors exclusivement connecté au moteur électrique P2 tandis que le moteur électrique P3 actionne les roues. Tous les changements de vitesse sont entièrement synchronisés électriquement, de sorte que le limiteur de couple à friction peut rester fermé même en mode hybride. Le fonctionnement en série dans la plage des vitesses basses et le fonctionnement en parallèle à des vitesses plus élevées permettent une augmentation significative du niveau d’efficacité du système.

La stratégie d’exploitation prévoit le fonctionnement du moteur à combustion à très faible dynamique et la mise en œuvre de changements de charge rapides par la voie électrique. Les rapports de transmission permettent une réduction significative de la vitesse de rotation du moteur thermique, sans compromettre la dynamique globale de la chaîne cinématique. La stratégie d’exploitation a été optimisée par un plan d’expériences. Pour ce faire, les paramètres de la stratégie stop-start du moteur thermique ont été optimisés en même temps que les paramètres de la stratégie de charge de la batterie. Pour le paramétrage final, un compromis entre les profils des différents cycles de conduite a été sélectionné.

La répartition des couples des deux moteurs électriques, aussi bien en fonctionnement parallèle qu’en fonctionnement entièrement électrique, est déterminée par une optimisation en ligne brevetée par FEV. L’algorithme de recherche fait varier la distribution du couple jusqu’à ce que le cas optimal du point de vue énergétique soit trouvé. Ce faisant, les limites de batterie et les limites de puissance des moteurs électriques sont prises en compte dans la situation actuelle.

Fonctions prédictives

La structure fonctionnelle développée pour le contrôle dynamique longitudinal prédictif est conçue de telle sorte qu’une multitude de sources de données, de routines d’optimisation et de structures de groupe motopropulseur peuvent être représentées dans ladite structure fonctionnelle.

La première étape consiste à agréger et à fusionner les données disponibles en un modèle environnemental, suivi d’une prévision de l’état du trafic. Ceci permet d’optimiser le profil de vitesse. Sur cette base, un contrôle de l’accélération du véhicule est effectué. Le profil de vitesse planifié peut également être utilisé pour ajuster la stratégie de charge. Si la puissance de charge souhaitée est déterminée, la répartition du couple entre les composants du groupe motopropulseur est effectuée sur la base de cette puissance et du couple à la roue requis.

La prévision précise de la situation actuelle du trafic nécessite l’agrégation de toutes les données disponibles. Cela comprend, par exemple, les capteurs RADAR, les capteurs LIDAR ou les caméras optiques que les usagers de la route peuvent identifier à l’aide de techniques de reconnaissance des images. Habituellement, ces capteurs indiquent le type (voiture particulière, camion, piéton, etc.), les positions relatives et, potentiellement, la vitesse relative des objets détectés.

Des informations complémentaires peuvent être obtenues à partir des systèmes de navigation embarqués, qui indiquent les limitations de vitesse, les pentes et les courbes de la route ainsi que, éventuellement, les données d’intersection pour la trajectoire la plus probable du véhicule via un horizon électronique. Si le système de navigation est connecté à Internet, des données sur les vitesses moyennes le long de l’itinéraire prévu et sur les embouteillages peuvent être fournies.

Des données supplémentaires peuvent être obtenues grâce à la connexion future de véhicules utilisant la 5G ou ETSI ITS G5. Cette communication du véhicule (V2X) devrait inclure, entre autres, les positions, la direction et la vitesse des autres véhicules, ainsi que la disposition des intersections et l’état des systèmes de feux de circulation. La communication du véhicule peut donc fournir des données qui vont au-delà de l’horizon détectable par des capteurs embarqués.

Étant donné qu’un même objet peut donc être détecté plusieurs fois par différentes sources de données, l’agrégation de données doit également inclure une fonctionnalité de fusion de données. Ceci est particulièrement avantageux pour les configurations matérielles avec différents types de capteurs, par exemple un capteur RADAR et un capteur caméra. Le capteur RADAR peut définir avec précision la distance et la position relative d’un véhicule qui précède, mais ne peut pas déterminer la position latérale du véhicule par rapport au marquage au sol. En revanche, le capteur de la caméra ne peut fournir que des estimations concernant la vitesse relative et la distance, mais peut déterminer avec précision si l’objet détecté est dans la même voie que le véhicule considéré. Après la fusion de plusieurs sources de données, une liste d’objets agrégée est créée, qui ne contient que des données valables et pertinentes pour tous les objets détectés et génère un modèle environnemental correspondant.

Avant de pouvoir optimiser la trajectoire du véhicule, il faut d’abord prévoir l’évolution de la situation actuelle. Cette prévision repose sur les objets pertinents fournis par le modèle environnemental. La première étape consiste à déterminer la limite de vitesse le long de l’horizon de prévision. En se basant sur cela et sur l’état actuel des véhicules détectés qui circulent devant, on peut prévoir la vitesse et la trajectoire de ces véhicules et leur position.

Sur cette base, un espace de solution est étalé dans lequel l’algorithme d’optimisation en aval peut fonctionner. La structure fonctionnelle développée par la FEV et l’Institute for Combustion Engines permet la mise en œuvre de différents algorithmes à cette fin. Selon les besoins, des approches simples, basées sur des règles, ainsi que des méthodes de contrôle prédictif de modèle ou de programmation dynamique discrète peuvent être représentées.

Application dans le véhicule

Pour tester la structure fonctionnelle, un modèle de commande prédictif (MPC) compatible temps réel a été implémentée dans l’unité de commande de prototypage rapide du véhicule concept HYBex 3 et différents scénarios de test ont été réalisés. Dans une première démonstration, la fonctionnalité et la compatibilité temps réel de ces scénarios pour un ajustement prédictif du véhicule concept HYBex 3 ont été prouvées. Avec une mise en œuvre efficace du MPC à l’aide de l’outil qpOASES, une optimisation de la courbe de vitesse pour un horizon de 10 s peut être réalisée en moins de 100 µs.

A l’avenir, la conception modulaire de la structure fonctionnelle pourra être utilisée pour étendre l’horizon de prévision du véhicule – par exemple, avec des feux de signalisation à l’horizon – ou pour représenter des fonctions de conduite prédictives et automatisées telles que le Predictive Cruise Control (PCC).

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Article rédigé par Dr.-Ing. Georg Birmes, Birmes@fev.com ; Dr.-Ing. Rene Savelsberg, savelsberg@fev.com ; Marius Wegener, Prof. Dr.-Ing. Jakob Andert, Institute for Combustion Engines of RWTH Aachen University, Ulrich Schwarz, DENSO AUTOMOTIVE Deutschland GmbH

Un renforcement accru de la législation sur les émissions est attendu avec la prochaine norme Euro7. Pour les principaux défis de la prochaine législation européenne, FEV base son hypothèse sur les grands thèmes suivants :

• Une réduction générale des limites d’émissions de gaz

CO : 500 mg/km –              HC : 50 mg/km   –              NOx : 35 mg/km

• Interdiction aux stratégies secondaires qui peuvent mener à des émissions élevées.
• Le diamètre des particules mesurées sera descendu à 10 nm au lieu de 23 nm actuellement.
• Ajout d’autres composants de limites d’émissions pour les essais en laboratoire
• Extension du cadre législatif relatif au RDE afin d’y inclure d’autres éléments relatifs aux émissions et aux courts trajets en voiture.

FEV a étudié comment, en fin de compte, il serait possible d’obtenir un moteur à combustion sans impact, ce qui entraînerait moins d’émissions que celles qui sont contenues dans l’air ambiant. Pour ce faire, les objectifs suivants ont été fixés :

• Emission en WLTC
  • NOx :        40µg/m³        (correspondant environ à 0.03mg/km)
  • PM (2.5): 25µg/m³        (correspondant environ à 0.02 mg/km)

Par rapport à la législation Euro 6d actuelle, cela signifie une réduction des émissions de NOX de 99,9 % et des émissions de PM de 99,2 %.

Méthodes de développement

Dans le domaine de la simulation, FEV a développé des méthodes de développement étendues, brevetées et en instance de brevet, ainsi que des essais et analyse du vieillissement des composants importants des émissions, qui permettent de démontrer une grande robustesse et une grande précision de prévision à un stade précoce du développement.

Simulation des émissions de RDE et identification du pire cas de cycles

La simulation des émissions à FEV est un pilier essentiel du développement en amont. Présenté pour la première fois en 2016 au Vienna Engine Symposium, et perfectionné depuis lors, cet ensemble modulaire d’outils de simulation basé sur l’environnement du logiciel GT-Suite est désormais un élément essentiel des activités de développement de FEV. Les émissions brutes des moteurs sont modélisées à partir des données de mesure stationnaires et transitoires provenant des bancs d’essai moteurs et à rouleaux. Les modèles de simulation du post-traitement des gaz d’échappement suivent une approche cartographique. Néanmoins, la discrétisation des monolithes catalytiques permet de bien décrire leur réchauffement, à prendre en compte individuellement, leur taux de conversion étant dépendant de la température. La figure 1 illustre toutes les variables pertinentes qui entrent dans le calcul de la conversion.

Il est essentiel de savoir quels sont les cycles spécifiques aux véhicules et aux groupes motopropulseurs qui peuvent conduire aux émissions les plus élevées pour pouvoir respecter de manière fiable toutes les limites d’émissions dans les conditions de RDE. FEV a réalisé un extrait de ces conditions de conduite réelles. Le résultat est une dérivation d’un nombre concis de paramètres. Ce paramétrage permet d‘utiliser le Machine Learning pour identifier les cycles RDE les plus défavorables sur la base d’une analyse de quelques centaines de cycles simulés. Cette méthodologie a été appliquée avec succès dans de nombreux projets de développement.

Caractérisation des catalyseurs et des filtres à particules d’essence

Au cours du développement de la méthodologie de simulation des émissions RDE de FEV, il a été identifié que les catalyseurs initiaux pouvaient difficilement être modélisés avec une précision suffisante. Cela s’explique par le peu de données de mesure disponibles auprès des fabricants de catalyseur et des équipementiers. Cependant, pour une prédiction précise des émissions dans des conditions limites RDE, la connaissance du taux de conversion aux vitesses les plus élevées et dans une large gamme de températures est d’une grande importance. C’est pourquoi FEV a mis au point son propre équipement qui peut être utilisé pour caractériser les catalyseurs dans ces conditions précises. Le système illustré à la Fig. 2 est conçu et éprouvé pour les débits massiques de gaz d’échappement jusqu’à ceux produits par les moteurs V12 turbocompressés afin de mesurer l’efficacité de la version à des débits massiques élevés et à des températures froides, tels qu’ils se produisent dans une accélération à pleine charge peu après un démarrage moteur.

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Vieillissement du catalyseur et du filtre à particules d’essence

FEV a également mis au point une méthode de vieillissement rapide des catalyseurs et des GPF. Pour le vieillissement GPF, le banc d’essai du brûleur est modifié pour permettre la combustion d’huile afin de générer des cendres. Différentes méthodes ont été étudiées et finalement l’injection d’huile a été choisie. FEV a mis au point un cycle et une stratégie de dosage de l’huile capable de reproduire des caractéristiques de vieillissement similaires à celles que l’on retrouve lors des essais de durabilité des véhicules.

Concept de post-traitement des gaz d’échappement pour obtenir des émissions sans impact sur l’environnement

Le concept de post-traitement des gaz d’échappement est constitué de cinq éléments permettant d’obtenir des émissions sans impact sur l’environnement.

1.            Optimisation des émissions brutes de NOx lors de l’échauffement du catalyseur

2.            Post-traitement des gaz d’échappement avec préparation immédiate après le démarrage du moteur

3.            Adsorption des émissions de HC

4.            Augmentation du volume total du catalyseur

5.            GPF avec efficacité de filtration améliorée

Les différents éléments constitutifs sont examinés ci-après.

Chauffage du catalyseur optimisé NOx

Les émissions brutes de NOx peuvent être optimisées par une adaptation de la calibration du chauffage du catalyseur. Dans le cas de temps d’allumage tardifs, il faut une grande quantité de combustible pour produire un IMEP qui correspond au FMEP. Il en résulte une réduction de l’accélération et une diminution du taux d’EGR interne. Le pic de température du cylindre augmente et reste à un niveau élevé sur une longue période. En conséquence, les émissions de NOx augmentent. Pour obtenir une réduction drastique des émissions de NOx, une calibration optimisée du chauffage du catalyseur n’utiliserait donc qu’un léger retard de l’allumage. Par conséquent, les émissions brutes de HC augmenteraient, et des mesures supplémentaires doivent être mises en œuvre pour y remédier.

Catalyseurs chauffés électriquement

Deux catalyseurs chauffés électriquement sont intégrés en amont du catalyseur principal (4 kW par disque, 8 kW au total). Le substrat métallique s’échauffe rapidement pour atteindre en quelques secondes sa température optimale. Toutefois, un démarrage du moteur suivi d’un passage des gaz d’échappement froids dans les catalyseurs chauffés électriquement ferait chuter leur température en dessous du niveau nécessaire à une efficacité de conversion suffisante. Par conséquent, une pompe à air secondaire est utilisée pour faire circuler l’air à travers les catalyseurs chauffés électriquement avant le démarrage du moteur afin de chauffer également le catalyseur principal. La figure 4 illustre le processus d’échauffement de la configuration finale du système. Le transfert de chaleur convective est clairement visible dans la moitié inférieure du diagramme. Dès le démarrage du moteur, l’augmentation du débit des gaz d’échappement conduit à un meilleur transfert de chaleur par convection, mais aussi à une réduction des températures.

Les émissions peuvent être optimisées davantage en s’assurant que le système catalytique maintient un niveau de température élevé. Dans un moteur hybride, cela peut être soutenu par la stratégie de fonctionnement et la réactivation des catalyseurs chauffés électriquement.

Adsorption des émissions avant l’allumage du catalyseur

L’un des moyens d’adsorption des émissions est l’utilisation de revêtements spéciaux. Pour obtenir une efficacité d’adsorption élevée, de basses températures sont nécessaires. Cela correspond aux températures plus basses des gaz d’échappement à l’entrée en raison des temps d’allumage avancés pendant le chauffage du catalyseur. Un substrat métallique est envisagé car il permet une inertie thermique élevée et donc une faible augmentation de température dans les premières secondes de fonctionnement du moteur et une distribution uniforme du débit d’air secondaire sur la face d’entrée du catalyseur chauffé par voie électrique. Avec une température limite de 850 °C, le catalyseur d’adsorption impose au système de post-traitement des gaz d’échappement à ne pas être monobloc, ce qui a un avantage en termes de vieillissement thermique. La figure 5 montre une comparaison du chauffage du catalyseur avec et sans adsorption HC, en l’occurrence en aval du catalyseur.

Pour les systèmes de post-traitement des gaz d’échappement ciblant le préchauffage du catalyseur avec un brûleur au lieu de catalyseurs chauffés électriquement, l’adsorption des émissions du brûleur via un petit réservoir de carbone placé en aval du catalyseur pourrait également être une bonne solution.

Augmenter le volume du catalyseur

Le volume du catalyseur est augmenté de 30 % par rapport à la référence Euro 6d-TEMP qui utilise déjà un volume de catalyseur plus important par rapport aux anciens niveaux Euro 6b/c. Ceci inclut le volume de catalyseurs chauffés électriquement. Par conséquent, la vitesse de l’espace à puissance nominale est réduite à des valeurs permettant de maintenir un rendement de conversion élevé même en cas de vieillissement.

GPF avec efficacité de filtration améliorée

Les meilleurs moteurs Euro 6c et Euro 6d-TEMP sans GPF atteignent déjà des émissions de PM dans le WLTC de seulement 0,12 à 0,28 mg/km. Par rapport à l’objectif de zéro impact de 25 µg/m³ (environ 0,02 mg/km), il est nécessaire de réduire encore les émissions de particules de 83 à 93 %. Cela peut très bien se faire avec un GPF de deuxième génération.

Résultats finaux et perspectives

Le système de post-traitement des gaz d’échappement est finalement évalué en combinaison avec un moteur 4 cylindres 2L TGDI dans une configuration plug-in hybrid. La figure 6 montre le système de post-traitement final des gaz d’échappement.

Des études approfondies du DoE ont été menées afin d’atteindre le niveau d’émission zéro impact tout en minimisant la pénalité de consommation de carburant  dû au préchauffage électrique des catalyseurs. La figure 7 montre la corrélation entre l’énergie électrique de préchauffage et toutes les émissions gazeuses qui en résultent. Des points valides permettent d’atteindre l’objectif de zéro impact des émissions de NOx inférieures à 40 µg/m³ ainsi qu’un SOC équilibré de la batterie à la fin du cycle. L’optimum pour atteindre l’objectif de zéro impact au mieux de la consommation de carburant se situe légèrement en dessous de 0,4 kWh. Les émissions de HC et de CO restent bien en dessous des limites Euro 7 prévues par FEV. Mais, en raison de ce concept, ces émissions ne sont pas aussi réduites que les émissions de NOx.

Les résultats finaux de la stratégie d’exploitation optimale sont présentés à la Fig. 8. Les émissions de NOx qui subsistent – bien que peu visibles – résultent principalement des premières secondes qui suivent le démarrage du moteur. La capacité de stockage d’oxygène du catalyseur est complètement remplie à ce moment-là et une opération initiale riche est nécessaire pour purger le catalyseur avant d’atteindre l’efficacité de conversion de NOx complète. Dans la partie restante du WLTC, les émissions de NOx restent minimes. Les catalyseurs chauffés électriquement sont réactivés pendant de courts intervalles au cours du cycle afin de maintenir les températures à un niveau suffisamment élevé à tout moment. La consommation de carburant augmente de 4,3 % par rapport à la référence Euro 6d-TEMP.

Le concept d’émission sans impact présenté ici est extrêmement biaisé en faveur de l’atteinte d’émissions minimales de NOx. Pour respecter « seulement » la limite d’émission Euro 7, plusieurs adaptations conceptuelles sont possibles, par exemple la réduction du nombre de catalyseurs chauffés électriquement de deux à un. De plus, le catalyseur d’adsorption pourrait être éliminé, ce qui permettrait de replacer l’ensemble du système catalytique dans une solution monobloc.

Résumé

• Des émissions sans impact sont possibles
• Pour y parvenir, le post-traitement des gaz d’échappement doit fonctionner avec un rendement de conversion élevé dès le démarrage du moteur.
  • Les catalyseurs chauffés électriquement en combinaison avec le transfert de chaleur par convection avant le démarrage du moteur sont identifiés comme l’un des catalyseurs possibles pour ce faire.
  • L’adsorption des émissions de HC peut supporter de faibles émissions de NOx en permettant d’appliquer également une calibration adaptée du chauffage du catalyseur.
  • Les GPF de deuxième génération permettent une grande efficacité de filtration
• Il est possible d’améliorer encore le système avec un transfert de chaleur convective encore plus élevé.
• Le concept de post-traitement des gaz d’échappement peut être dégradé pour répondre purement aux exigences Eu-ro 7
• FEV a acquis le savoir-faire nécessaire pour vous accompagner dans le développement de votre système de post-traitement des gaz d’échappement de nouvelle génération.

Merci d’avoir lu cet article, et n’hésitez pas à visiter notre site web.

Article rédigé par Matthias Tewes, Andreas Balazs, Surya Kiran Yadla, Michael Görgen, Jörg Seibel et Johannes Scharf.

Traduit par Maxime FAGON, FEV.

Du concept à la validation.

Les émissions élevées des transports routiers tels les poids lourds sont aujourd’hui une priorité pour la recherche et le développement. D’importants programmes sont en cours pour la mise en œuvre de groupes motopropulseurs à émissions faibles ou nulles. Il faut considérer non seulement la réduction des émissions moyennes de CO2 de la flotte, mais aussi l’efficacité, la durabilité, la fiabilité et le coût total de possession (TCO) du système pour trouver des alternatives compétitives aux moteurs à combustion dans le transport de type poids lourd.

La solution électrique pure pour les poids lourds, n’est pas encore une option viable, car de grosses batteries sont nécessaires, ce qui entraîne un poids élevé du groupe motopropulseur, une demande de puissance accrue et une charge utile réduite. C’est pourquoi les piles à combustible à membrane d’échange de protons (PEMFC selon l’acronyme anglais: Proton-exchange membrane fuel cells) en combinaison avec des batteries plus petites représentent une approche prometteuse pour les véhicules lourds à propulsion électrique.

L’Institut des moteurs à combustion (VKA) de l’Université RWTH d’Aix-la-Chapelle et FEV Europe Gmbh étudient, entre autres, l’utilisation des PEMFC dans les applications de transport. Afin d’évaluer d’autres groupes motopropulseurs (GMP) pour les véhicules utilitaires, il est important d’étudier le coût total de possession de différents GMP, en tenant compte de différents scénarios de production d’électricité à partir de sources renouvelables, pour prendre des décisions concernant le développement des futurs systèmes de groupes motopropulseurs HD.

Ce qui suit décrit en détail le développement et la validation de systèmes de piles à combustible avec des stratégies d’exploitation avancées pour des applications à haut rendement jusqu’à 250 kW de puissance nette. Les mécanismes de dégradation des piles à combustible et leurs stratégies d’atténuation sont compris pour optimiser la stratégie d’exploitation hybride et pour prouver la durabilité et la fiabilité des systèmes conçus.

Cas d’utilisation des véhicules électriques équipés de pile à combustible

Par rapport aux véhicules électriques à batterie (BEV), les véhicules électriques à pile à combustible (FCEV) permettent d’augmenter la distance de conduite, de réduire le temps de ravitaillement en carburant – comparable à celui des véhicules à moteur diesel ou essence – ainsi que de réduire le poids du groupe motopropulseur et donc la charge utile.

Le choix du GMP le mieux adapté à un cas d’utilisation dépend de plusieurs facteurs tels que les coûts, l’efficacité et la durabilité. Cependant, l’accent doit être mis sur le bénéfice pour le client.

La figure 1 donne un aperçu général des GMP électriques en tenant compte de l’autonomie et du poids du véhicule. En raison de leur rendement élevé, mais aussi de leur faible densité de puissance, les GMP électriques à batterie (BEV) devraient être mieux adaptés aux véhicules utilitaires légers à faible autonomie, dont les trajets quotidiens se font principalement en centre-ville.

Sur une gamme de conduite plus étendue, et notamment sur les poids lourds, les GMP électriques à pile à combustible, complétés par des batteries de petite taille pour la puissance de pointe et la récupération (FC-HEV) devraient être privilégiés, notamment en ce qui concerne le poids total de la chaîne cinématique. La combinaison à une batterie de taille moyenne (PHEV) est l’option la plus prometteuse. La question de savoir où se situe le point d’équilibre entre la puissance du système de pile à combustible et la capacité de la batterie, demeure un sujet de discussion et reste l’un des principaux thèmes de recherche.

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Bien que dans le segment des voitures de tourisme, des quantités plus importantes soient généralement atteintes, les véhicules utilitaires pourraient d’abord connaître une plus grande pénétration du marché des GMP électriques à pile à combustible. Toutefois, par rapport au segment des voitures particulières, la mise en œuvre des systèmes de piles à combustible dans les poids lourds pose de nouveaux défis. L’un des principaux défis à relever est la durée de vie requise d’environ 20 000 heures, qui est presque trois fois plus élevée que pour les véhicules de tourisme.

L’importance du TCO dans le segment des véhicules utilitaires

Le coût total de possession (TCO) a toujours été l’un des principaux facteurs technologiques dans le segment des véhicules utilitaires. Derrière le prix du véhicule et la valeur de revente, les coûts d’exploitation représentent le critère le plus important du TCO. Une étude de FEV, sur le TCO de différents segments de véhicules utilitaires, a analysé divers cas d’utilisation pour déterminer si les GMP diesel classiques, les GMP électriques à batterie ou à pile à combustible, auront le TCO plus bas dans l’avenir. Compte tenu des profils de conduite ciblés, ainsi que des boosters et inhibiteurs de pile à combustible courants, l’étude a abouti à la conclusion que les GMP électriques à pile à combustible devraient être privilégiés, surtout pour les véhicules lourds ayant un kilométrage annuel élevé et des trajets occasionnels > 400 km. En outre, dans les zones à émissions nulles, en particulier dans les régions froides, une politique environnementale rigoureuse, ainsi qu’un prix de l’hydrogène inférieur à 4 €/kgH2 peuvent stimuler la mise en œuvre de systèmes de piles à combustible pour les applications lourdes. Les prix du carburant ont un impact important sur les coûts d’exploitation. En ce qui concerne l’hydrogène en particulier, les coûts et les prix futurs restent incertains en raison de la forte dépendance vis-à-vis du processus de production, de la source d’énergie et de la fiscalité. La figure 2 présente les coûts de l’hydrogène en fonction de la source d’énergie primaire et du procédé de production, ainsi que les coûts du carburant diesel et de plusieurs carburants électroniques prometteurs. Actuellement, la majeure partie de l’hydrogène est produite par reformage à la vapeur (H2 fossile) avec des coûts d’environ 0,6 à 2,9 €/kgH2. La mise en place d’hydrogène vert, produit par électrolyse, entraîne des coûts d’environ 4,5 à 7,3 €/kgH2, si l’énergie éolienne est utilisée comme source d’énergie renouvelable. L’utilisation du photovoltaïque comme source d’énergie renouvelable entraîne des coûts d’environ 7,3 à 10 €/kgH2. Étant donné que la production de la plupart des carburants électroniques nécessite de l’hydrogène comme matière première, leurs coûts sont une fonction linéaire des coûts de l’hydrogène. Actuellement, seul l’hydrogène produit par reformage à la vapeur peut rivaliser avec les faibles coûts du carburant diesel classique.

Pour réduire encore le TCO des véhicules électriques à pile à combustible, il faut également tenir compte des coûts de développement et de production des systèmes à pile à combustible. En raison de la durée de vie élevée requise des systèmes de piles à combustible pour les applications lourdes, l’amélioration de la fiabilité et de la durabilité est de la plus haute importance pour éviter le remplacement prématuré des piles à combustible et des composants auxiliaires, ainsi que pour minimiser les temps d’entretien et d’arrêt non programmés.

Mise à l’échelle des systèmes de piles à combustible et effets de synergie

Les systèmes de piles à combustible se divisent en plusieurs composants qui assurent un fonctionnement optimal de la pile  à combustible. Ces « Balance of Plant Components » (BoP) peuvent être affectés au circuit d’air, au circuit de carburant, au circuit de liquide de refroidissement et au système haute tension. La figure 3 donne un exemple de disposition d’un système de piles à combustible.

Comme la demande d’énergie varie en fonction de l’application et du cas d’utilisation, les piles à combustible et leurs composants BoP doivent être mis à l’échelle. Pour parvenir à un bon rapport coût-efficacité des véhicules électriques à pile à combustible, dans le segment des véhicules utilitaires à faible consommation, il faut exploiter les synergies avec les systèmes de piles à combustible pour les applications des voitures particulières. Une approche modulaire est souhaitée pour éviter la nouvelle conception de plusieurs composants de la BdP ou même de l’ensemble du système. D’autre part, il faut tenir compte des coûts de production, qui sont plus élevés pour l’approche modulaire que pour un système de piles à combustible à l’échelle. L’utilisation de systèmes de piles à combustible à échelle réduite permet également d’atteindre un rendement plus élevé, puisque le système de piles à combustible peut être adapté de manière optimale à l’application particulière. La figure 4 montre que, dans le segment des véhicules utilitaires, ces méthodes de mise à l’échelle offrent une certaine souplesse dans la conception et doivent être étudiées en détail. Toutefois, les principaux arguments en faveur de l’approche modulaire sont le taux de transfert élevé du segment des voitures particulières, ainsi que la possibilité d’obtenir une fiabilité et une durabilité accrues des systèmes de piles à combustible. En utilisant plusieurs systèmes de piles à combustible, il est possible d’élaborer des stratégies d’exploitation avancées pour faire fonctionner les différentes piles à combustible sur une charge constante différente afin de réduire les cycles de tension excessifs et d’atténuer la dégradation.

Développement de systèmes de piles à combustible pour les poids lourds

Le modèle en V pour le processus de développement d’un véhicule électrique à pile à combustible (FCEV) est représenté à la figure 5. Il se caractérise par différentes phases qui vont de la spécification des besoins et du concept jusqu’aux premiers essais et à la validation finale du système.

Dans un premier temps, le FCEV est décomposé en ses différents sous-systèmes, comme le système hybride. Il peut ensuite être décomposé en batterie de traction et système de piles à combustible, pile à combustible et composants BoP. Par souci de clarté, ces sous-systèmes peuvent être subdivisés en leurs composants individuels, non représentés à la figure 5. Pour tous les sous-systèmes et leurs composants, la spécification des besoins doit être formulée en étroite concertation avec le client. Cela doit se faire non seulement au niveau matériel, mais aussi au niveau logiciel. Dans ce travail, l’accent sera mis sur l’étalonnage du système de piles à combustible pendant le démarrage et l’arrêt, et sur la validation du système.

Validation du système pour les véhicules lourds

Les aspects importants lors du calibrage :

• optimisation de la gestion de l’eau à la cathode et à l’anode,
• taille optimale de l’humidificateur à membrane
• recirculation active et/ou passive de l’hydrogène à l’anode en combinaison avec une logique de purge et de drainage améliorée.

Le logiciel de commande de l’ensemble du système de pile à combustible (Fuel Cell Control Unit, FCCU) doit être étalonné de manière à garantir la stabilité et la durabilité de toute la pile et du système en fonctionnement dynamique, à différents endroits et dans des conditions de fonctionnement variées. Lors de l’étalonnage, la procédure de démarrage et d’arrêt du système de pile à combustible développé doit faire l’objet d’une attention particulière. C’est ce qu’illustre la figure 6. La mise en œuvre de fonctions de diagnostic pour détecter les composants défectueux et assurer une bonne communication est aussi essentielle que le contrôle des vannes cathode/anode et de l’étanchéité.

Pour éviter la condensation de l’excès d’eau pendant la procédure d’arrêt, après la réduction de la puissance de cheminée, une routine de séchage est effectuée. De cette façon, le système de pile à combustible est bien préparé pour des temps d’arrêt plus longs, même dans des environnements froids. En immobilisant la cathode et en dissipant le potentiel résiduel des cellules de manière uniforme sur une résistance à la fuite, les fronts carburant/air et les phénomènes de courant inverse au cours des procédures de démarrage suivantes et les mécanismes de dégradation associés, en particulier la corrosion au carbone du support du catalyseur, peuvent être réduits.

Après l’étalonnage et la mise en service du système de piles à combustible, le rendement et l’efficacité en fonctionnement normal sont examinés. L’efficacité du système se situe entre 41 à pleine charge et plus de 53 % à charge partielle, comme le montre la figure 7.

Réseau en temps réel pour l’étude des groupes motopropulseurs électriques à pile à combustible de pointe

La communication en temps réel entre les différents bancs d’essai de composants, comme le montre la figure 8, permet d’améliorer encore le système de piles à combustible et le système hybride déjà en phase initiale de développement. L’intégration de composants simulés réduit les coûts de développement et accélère le développement du système. La mise en place de groupes motopropulseurs virtuels permet d’analyser les interactions entre les différents composants, le comportement dynamique des différents cycles de conduite, ainsi que les avantages et les inconvénients des différentes topologies HT afin d’améliorer les stratégies de contrôle au niveau des véhicules et des systèmes de piles à combustible. Les groupes motopropulseurs d’une puissance de pile à combustible allant jusqu’à 250 kW peuvent être mis à contribution, ce qui convient non seulement pour les applications lourdes sur route, mais aussi pour le transport ferroviaire. Pour les études de démarrage à froid en particulier, une chambre climatique avec des températures allant de -42 à 110 °C peut être utilisée dans ce cadre.

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Par :

Dr. Marius Walters, FEV Europe GmbH, Aachen, Germany

Johannes Buchmann, FEV Consulting Inc., Auburn Hills, USA

Steffen Dirkes, Institute for Combustion Engines, RWTH Aachen University, Aachen, Germany

Les véhicules de tourismes seront bientôt équipés d’un système d’injection à eau. Des études montrent, sans surprises, que le remplissage manuel du système ne ferait pas l’unanimité parmi les utilisateurs. L’ Audi TT-S, qui sert de véhicule démonstrateur à FEV, dispose d’une injection d’eau. La voiture montre des consommations d’eau de 1,0 à 1,5 l/100km. L’objectif pour le développement du système est de collecter au minimum la quantité de 1,5l/100km.

Il y a trois sources principales à bord pour la collecte de l’eau : condensat de climatisation, eau de surface et condensat des gaz d’échappement. Parce qu’un litre d’essence brûlé stoechiométriquement conduit à environ 1 litre d’eau, les gaz d’échappement sont la seule source indépendante et donc la solution la plus prometteuse.

Afin de démontrer qu’il y a toujours suffisamment d’eau pour le système d’injection, FEV Europe GmbH et Hanon Systems Deutschland GmbH ont développé un modèle de simulation permettant de prédire le condensat de gaz d’échappement récupérable et de le comparer avec la quantité d’eau injectée. Pour démontrer la fonctionnalité complète du système, un véhicule de démonstration pour la récupération automatique de l’eau des gaz d’échappement a été construit. Le système de récupération de l’eau est appelé « Water Harvesting System » (WAHASY).

Objectif de développement du WAHASY

Le WAHASY a été développé pour obtenir un fonctionnement en « boucle fermée » (par exemple, la production d’eau à bord en utilisant les gaz d’échappement). Son principal objectif est de fournir suffisamment d’eau à l’état liquide pour répondre aux besoins en eau nécessaires au fonctionnement du moteur. Un encombrement additionnel a été mis en place dans l’espace disponible du véhicule afin de récupérer une quantité suffisante d’eau.

 La condensation nécessite l’obtention d’une température de gaz en aval du WAHASY qui doit être inférieure au point de rosée de la vapeur d’eau. Pour simplifier, le point de rosée est considéré comme étant à environ 52 °C (sans humidité ambiante, pression de 1 bar (abs.) et sans injection d’eau (WI) – tous les autres paramètres influençant le développement sont également pris en compte, comme l’injection d’eau, l’humidité ambiante et autres).

L’atteinte de cet objectif dépend de l’efficacité de l’échangeur (HEX) en fonction de la température d’entrée des gaz, du débit des gaz d’échappement, de la température et du débit de liquide de refroidissement. La séparation de l’eau dépend du type du récupérateur, de la taille des gouttelettes et de la vitesse du gaz. Des expériences spécifiques ont été menées pour estimer cet aspect pour les séparateurs inertiels.

Les dimensions d’origine du véhicule restreignent la taille du système, et étaient l’une des conditions limites pour son développement complet.

Présentation du concept

Divers concepts de stratégies de refroidissement et de récolte ont été étudiés et évalués. Le but était d’utiliser le véhicule démonstrateur de FEV, l’Audi TT-S. Il est déjà équipé d’un système d’injection d’eau (« Port Water Injection » – PWI).

En utilisant une approche morphologique, plusieurs modèles de condensation de vapeur ont été étudiés, en considérant une variation de la chaleur extraite par un échangeur (refroidi par air), une boucle de liquide de refroidissement haute température (HT) et un circuit de liquide de refroidissement basse température (LT). Les positions du catalyseur à trois voies et du filtre à particules par rapport au système WAHASY ont également été conservées. Les critères de la matrice de décision étaient les suivants :

– Limiter la complexité du système

– Augmenter la compacité de l’ensemble

– Maximiser la performance thermique

– Minimiser la chaleur dissipée par la boucle de liquide de refroidissement LT

– Minimiser les coûts

Finalement, il a été choisi de remplacer le silencieux d’échappement par le WAHASY. Il était couplé avec une dérivation des gaz d’échappement, contrôlée par un papillon d’échappement. Le refroidissement s’effectue par un système à deux étapes (HT HEX initial suivi d’un second LT HEX) pour condenser la vapeur d’eau. Un troisième dispositif, le récupérateur (« Harvester ») est destiné à séparer les gouttelettes de condensat du flux de gaz d’échappement. Une vue d’ensemble complète du système est présentée à la Fig. 1.

De plus, le véhicule est équipé d’un filtre à particules (FAP) et d’une boucle de liquide de refroidissement LT supplémentaire. Des conduits de liquide de refroidissement à l’arrière, des pompes de liquide de refroidissement électriques supplémentaires et une commande électronique pour tous les appareils (y compris le clapet de dérivation des gaz d’échappement) sont prévus. Le clapet de dérivation est utilisé pour contourner le débit des gaz d’échappement du WAHASY, réduisant ainsi la contre-pression dans les zones à haute charge et à haute vitesse de la cartographie moteur. L’intégration du système final dans le véhicule est illustrée à la Fig. 2.

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Méthodologie et résultats

L’étape initiale du projet consistait à se concentrer sur le développement d’un modèle numérique, capable de simuler le modèle complet du véhicule, y compris :

Après l’intégration du WAHASY dans l’AUDI TT-S, différents cycles de conduite ont été effectués sur piste ou sur voie publique pour démontrer la précision du modèle de simulation.

Sur la Fig. 3, la ligne supérieure montre les résultats de la masse totale d’eau dans les gaz d’échappement, l’eau condensée et l’eau injectée dans le système WI pour plusieurs cycles de conduite avec l’Audi TT-S. Les résultats de la simulation comparent également l’eau effectivement condensée et l’eau nécessaire à l’injection.

On constate que, dans toutes les conditions de fonctionnement, il est possible de condenser plus d’eau qu’il n’en faut. Il en résulte que le WAHASY est actuellement surdimensionné pour la voiture choisie. C’est pourquoi plusieurs autres données d’entrée du véhicule ont également été simulées avec des véhicules (Fig. 3, ligne 2-3), des moteurs et des profils de conduite différents pour les mêmes dimensions du système.

Les chiffres montrent que la taille du WAHASY est bien plus grande que nécessaire pour tous les cycles de conduite, conducteurs et véhicules considérés. Plusieurs des conditions limites, comme la température ambiante chaude, ont également été étudiées. La taille du système peut être optimisée pour des applications futures en fonction des exigences des constructeurs et des scénarios les plus pessimistes. Ainsi que les stratégies de fonctionnement du système de dérivation.

Un autre point important est la qualité du condensat. Les problèmes de fiabilité des injecteurs d’eau qui peuvent être causés par l’utilisation du condensat non filtré ont également été pris en compte. À cette fin, des échantillons de condensat d’eau ont été prélevés pendant le fonctionnement du véhicule et analysés.

L’analyse du condensat portait sur ses particules et sa qualité chimique comme son pH, sa conductivité, et ses composés chimiques.

L’étape suivante a été de vérifier que la composition chimique et physique du condensat n’impacte pas la fiabilité des injecteurs d’eau. Une analyse visuelle a montré que le liquide est incolore, clair, et ne présente qu’une légère odeur d’ammoniac.

Quelques rares précipités sombres ont été trouvés. Le pH se situe entre 7 et 9. Des analyses plus poussées ont montrées une très légère quantité de métaux, une grande concentration d’acétate, et quelques ions benzoate. Les précipités formés présentaient très peu de particules.

Conclusion et prochaines étapes

Le projet WAHASY a démontré la possibilité d’un système autonome, capable de condenser et de récupérer suffisamment d’eau pour permettre une stratégie d’injection d’eau « sans entretien » et « indépendante de l’utilisateur ».

Le système de condensation et de récupération d’eau, WAHASY, a été prouvé par des essais sur moteurs et sur véhicules. Il a été démontré qu’une quantité suffisante d’eau pouvait être condensée et récoltée. Des méthodes analytiques et des modèles de simulation ont été développés et un véhicule a été modifié avec le WAHASY embarqué (Démonstrateur Audi TT-S WI de  FEV). Il peut être utilisé pour d’autres études et peut être adapté à tout autre véhicule. 

La qualité du condensat des gaz d’échappement a été étudiée, en analysant sa pureté et sa composition chimique. Les résultats de ces premières investigations démontrent clairement le potentiel de cette technologie, qui permet une large diffusion sur l’injection d’eau en éliminant la nécessité de remplir un fluide supplémentaire.

Dans un proche avenir, des essais supplémentaires en soufflerie climatique permettront d’effectuer des recherches approfondies sur les volumes de condensat dans diverses conditions ambiantes. La comparaison de l’efficacité de condensation requise avec l’efficacité réelle de cet échantillon WAHASY de « première génération » a révélé la possibilité de réduire considérablement la taille du système sans limiter son potentiel. La simplification et la réduction des dimensions de l’ensemble permettront de prendre en charge des applications avec différents moteurs et systèmes d’échappement.  

Les émissions de l’échappement n’ont pas été étudiées au cours de l’étude initiale, mais des essais sont en cours en vue d’autres optimisations. Comme le démontre une autre étude, le WI a un impact positif sur les émissions de NOx, mais peut créer une certaine augmentation des HC imbrûlés. Ce problème se pose surtout avant que le catalyseur à trois voies n’ait atteint sa température optimale. D’autres études ont indiqué qu’un lavage partiel des HC imbrûlés peut être obtenu par condensation d’eau. Comme l’eau n’est pas injectée pendant le démarrage à froid mais que le WAHASY peut être utilisé, cela pourrait permettre un avantage en termes d’émissions.

De plus, les techniques antigel doivent être étudiées pour que le système soit fiable dans toutes les conditions météorologiques. Néanmoins, les solutions déjà existantes pour d’autres fluides (par ex. AdBlue) peuvent être réutilisées si nécessaire.

Enfin, une collecte autonome de l’eau permet d’introduire l’injection d’eau comme future technologie d’amélioration de la consommation de carburant sans gêner l’expérience de conduite des clients finaux.

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A bientôt!

Article rédigé par:

Matthias Thewes thewes@fev.com

Tobias Voßhall VKA, RWTH Aachen University, Germany

Guillaume Hébert, Jiří Bazala, Oliver Fischer, Jürgen Nothbaum – Hanon Systems and Peter Diehl – Consultant, Cologne, Germany

Traduit par Maxime Fagon et Benoît Hautier

La législation et le débat public sur la réduction des émissions de CO2 dans le secteur des transports se sont concentrés presque exclusivement sur l’utilisation des véhicules électriques à batterie (BEVs) à l’échelle nationale. Il existe cependant des domaines d’application pour lesquels ces véhicules ne sont pas une solution appropriée, par exemple pour les longs trajets et le transport de marchandises. En raison de leur haute densité énergétique, les combustibles liquides et gazeux resteront encore longtemps le combustible de choix dans ces régions. C’est particulièrement vrai pour l’Europe, qui restera encore fortement dépendante des importations de sources d’énergie chimiques. Dans l’avenir, certaines de ces sources seront produites dans des régions où les énergies renouvelables sont disponibles en grandes quantités. Les carburants électroniques – des carburants synthétiques fabriqués à partir d’électricité renouvelable et de dioxyde de carbone (CO2) – représentent ici une option très intéressante pour alimenter la mobilité en utilisant un cycle fermé.

RÉDUCTION SIGNIFICATIVE DES ÉMISSIONS DE CO2

Grâce à l’Accord de Paris et à l’objectif de politique sociale de lutte contre le changement climatique, tous les secteurs se sont engagés à réduire sensiblement leurs émissions de CO2. Le secteur électrique devrait devenir totalement neutre en CO2 d’ici 2050. Le secteur des transports est censé réduire son empreinte carbone d’au moins 80 % par rapport à 1990, et ce malgré un volume de transport en constante augmentation. Toutes les solutions imaginables pour le transport de passagers et de marchandises doivent également être mises en œuvre pour le respect du climat. Le nombre de BEV augmentera en effet considérablement au cours de la prochaine décennie. Toutefois, le niveau de départ est encore relativement bas, les BEV, les véhicules rechargeables et les véhicules d’extension de rayon d’action représentant actuellement environ 2 % des voitures nouvellement immatriculées. Cela correspond à 59 g/km, ce qui équivaut à environ 2,5 l de carburant fossile. S’agissant de la réduction des émissions de gaz à effet de serre dans le secteur des transports privés en particulier, une solution technique apparaît plus souvent que la plupart dans le débat public et médiatique : les BEV. Le nombre de BEV va en effet augmenter au cours de la prochaine décennie. Toutefois, le niveau de départ est encore relativement bas, les BEV et les véhicules rechargeables  représentant actuellement environ 2 % des voitures nouvellement immatriculées. La pénétration du BEV sur le marché dépend fortement de divers paramètres juridiques locaux et de subventions gouvernementales, et varie donc considérablement (voir figure 1).

La majorité des voitures vendues en 2030 (près de 90 %) auront encore un moteur à combustion pour diverses raisons. Les raisons qui freinent à l’achat d’un véhicule électriques sont le prix d’achat, l’autonomie limitée, les longs temps de charge et le développement inadéquat de l’infrastructure de charge. En outre, seulement 2,5 à 5 % du parc automobile européen sont remplacés chaque année. Par conséquent, il faudra encore plusieurs années avant que les BEV et les véhicules à pile à combustible aient une importance sur le marché. Il n’est donc pas possible de compter uniquement sur la croissance du parc électrique pour atteindre les objectifs ambitieux en matière de CO2. Au lieu de cela, d’autres technologies efficaces doivent également être utilisées. L’utilisation de carburants synthétiques neutres en CO2 (e-fuels) peut aider à électrifier les groupes motopropulseurs et à améliorer l’efficacité des moteurs à combustion.

On peut supposer que l’électrification contribuera le plus à la réduction des émissions de CO2. Dans ce contexte, l’électrification signifie non seulement les véhicules purement électriques, mais aussi les véhicules à pile à combustible, les groupes motopropulseurs hybrides à combustion et les groupes véhicules de type « range extender ». Une réduction supplémentaire de 24 % peut être obtenue en augmentant l’efficacité grâce au poids, à la friction et à l’aérodynamique améliorée, ainsi qu’en modifiant la répartition modale (transfert des marchandises sur le rail). Les 31 % restants doivent être couverts par des carburants neutres en CO2, comme le montre la figure 2.

CARBURANTS ALTERNATIFS

D’après la situation énergétique en Europe et en particulier en Allemagne, il est clair que la création d’un système basé à 100% sur l’électricité renouvelable représente un défi majeur. Étant donné que les énergies renouvelables (en particulier en Europe) sont très volatiles et difficiles à stocker, l’expansion du réseau et les capacités de réserve nécessaires pourraient entraîner à l’avenir des coûts d’investissement très élevés. L’objectif d’utiliser 100% d’énergie électrique renouvelable signifie également que l’Allemagne devrait augmenter sa production d’énergie renouvelable d’au moins trois fois par rapport à la production actuelle.

Outre la consommation d’énergie, la demande pour diverses applications industrielles, le chauffage des bâtiments et les réseaux de transport, qui s’élève actuellement à 2 600 TWh par an en Allemagne, est également nettement supérieure. Pour répondre à ces besoins en utilisant de l’énergie renouvelables, l’Allemagne devra commencer par en importer à grande échelle (voir figure 3). Certaines voies de transport étant longues, l’importation directe d’énergie électrique n’est toutefois techniquement possible que dans une certaine mesure. Par conséquent, l’énergie électrique captée à l’étranger à l’aide de l’énergie solaire et éolienne devra être convertie en sources d’énergie chimique au moyen de la conversion de l’énergie en carburant. Dans les régions où les distances entre le site de production et les consommateurs sont plus courtes, l’hydrogène ou le gaz naturel de substitution pourrait également être utilisé comme vecteur et transporté par pipeline. La conversion en méthanol ou même en produits Fischer-Tropsch est une approche plus judicieuse pour les installations de production plus éloignées. Globalement, l’Allemagne doit importer jusqu’à 29 % de ses besoins énergétiques sous forme de Power-to-X (PtX) d’ici 2050.

L’utilisation de sources d’énergie neutres en CO2 est le moyen le plus efficace de réduire son empreinte carbone. En tant que carburants d’appoint, ils peuvent également réduire l’empreinte carbone des parcs de véhicules existants. En raison de leurs structures moléculaires, de nombreux carburants PtX potentiels ont des propriétés chimiques et physiques différentes. Les candidats qui répondent le mieux aux critères clés (densité énergétique, disponibilité du carburant et voies de production établies, compatibilité avec le parc existant) sont les carburants Fischer-Tropsch et les alcools à chaîne plus longue pour les moteurs diesel, ainsi que le méthanol à essence (MTG) et le méthanol pour les moteurs essence. Il est possible d’utiliser des carburants Fischer-Tropsch hydroformylés contenant des alcools à chaîne longue et moyenne pour produire un carburant électronique pour moteurs diesel qui est compatible avec la norme EN 590 actuelle et peut donc être mélangé dans le parc existant à tout rapport. Comme le montre la figure 4, ces combustibles permettent également une réduction significative de la suie et/ou des NOx.

L’éthanol pourrait être un candidat très prometteur pour les moteurs à essence. En 2018, quelque 110 millions de tonnes ont été synthétisées et commercialisées, principalement pour l’industrie chimique. En raison de sa très grande résistance au choc et de ses bonnes caractéristiques de combustion pauvre, le méthanol peut être utilisé pour améliorer considérablement l’efficacité des moteurs à essence. Par conséquent, les carburants électroniques peuvent être utilisés pour obtenir des rendements de réservoir à roue similaires à ceux des véhicules à pile à combustible. La figure 5 montre l’augmentation de l’efficacité des mesures mises en œuvre jusqu’à présent pour les moteurs et la manière dont l’objectif de rendement de 50 % pourrait être atteint à l’avenir. 

Certains pays, comme la Chine, encouragent massivement l’utilisation du méthanol. En Europe, la teneur en méthanol de l’essence est actuellement limitée à 3 % v/v dans la norme EN 228, même si la plupart des systèmes d’alimentation sont certifiés jusqu’à 15 % v/v. En plus de son utilisation directe comme carburant, le méthanol est également très bien adapté comme matière première pour d’autres carburants. Par exemple, le procédé de conversion du méthanol en essence (MTG) peut être utilisé pour produire un carburant synthétique équivalent à l’essence qui peut également être mélangé en grandes quantités avec des carburants classiques.

DOMAINES D’APPLICATION DES CARBURANTS ÉLECTRONIQUES

A l’avenir, l’Allemagne dépendra fortement des importations PtX. Toutefois, le coût sera le principal facteur d’expansion des diverses technologies. Étant donné que les circonstances locales ont un impact critique sur la disponibilité des énergies renouvelables, les coûts de synthèse varient également de manière assez importante dans le monde entier. La figure 6 montre dans quelle mesure les coûts de production du combustible dépendent des coûts de l’électricité.

Dans de nombreux pays, par exemple au Moyen-Orient et en Afrique du Nord (MENA), les coûts de synthèse tomberont en dessous de 1 euro/L équivalent diesel d’ici 2030 en raison des faibles tarifs d’électricité. Bien que le potentiel des carburants électroniques ait également fait l’objet de discussions en dehors de l’Europe, aucun plan PtX à grande échelle n’est actuellement en cours d’élaboration car la législation ne reconnaît toujours pas de réduction des émissions de CO2 grâce aux carburants électroniques. En conséquence, les acteurs du marché ne voient toujours pas d’analyse de rentabilisation suffisamment solide pour investir dans les carburants électroniques. Une introduction rapide sur le marché serait possible si une partie prenante tirait profit de la production, de la commercialisation ou de l’utilisation de carburants électroniques. Un système d’échange de certificats pourrait également être introduit pour permettre aux constructeurs automobiles d’acheter du carburant neutre en CO2 et les certificats correspondants. En le mélangeant à l’infrastructure existante, le carburant serait utilisé par tous les clients. Les économies de CO2 résultant de l’utilisation de carburants électroniques seraient alors comptabilisées. Une autre option consisterait à repenser la taxe sur l’énergie en la réduisant pour les sources d’énergie renouvelables et en augmentant progressivement les coûts des émissions de CO2 dues à la combustion d’énergies fossiles. Les parties prenantes concernées pourraient être l’industrie pétrolière ou les constructeurs automobiles. On obtiendrait ainsi un modèle d’entreprise durable avec la sécurité d’investissement.

PERSPECTIVES

Toutes les options techniquement réalisables devront être utilisées pour parvenir à une réduction rapide des émissions de CO2. Toutefois, les groupes motopropulseurs des poids lourds et des véhicules longue distance ne peuvent pas être électrifiés dans la même mesure que les véhicules légers. Le transport de marchandises devra encore recourir à des sources d’énergie chimiques liquides ou gazeuses. En tant que telle, l’Europe dépendra également d’importations substantielles de sources d’énergie chimiques. La comptabilité du Tank-To-Wheel donne actuellement une forte préférence à l’électromobilité – qui contribuera énormément à réduire les émissions de CO2 de la flotte – plutôt qu’aux technologies alternatives. Les carburants électroniques n’ont pas encore été pris en compte dans les émissions du parc automobile. Il est donc urgent de réviser la législation. Il existe plusieurs moyens de rendre les carburants synthétiques plus attrayants, par exemple une taxe sur le CO2 ou le carbone d’origine fossile. Une autre option consiste à comptabiliser les carburants électroniques dans les émissions du parc automobile à l’aide d’un système d’échange de certificats. Quel que soit l’instrument politique utilisé, le carburant synthétique doit absolument être compatible avec la flotte existante afin de pénétrer rapidement le marché.

Article rédigé par Benedikt Heuser, Thorsten Schnorbus, Norbert W. Alt, Michael Wittler et Philipp Wienen. Traduit de l’anglais au français par BH.

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Par rapport à la quantité de données générées et traitées par les véhicules autonomes, la quantité produite pendant des essais GMP est assez facile à gérer. Cependant, la variété de ces informations ajoutée aux interactions entre les équipements, imposent des exigences élevées aux outils utilisés pour traiter ces informations. Une installation organisée efficacement a besoin que ces informations soient structurées et normalisées et que ses outils de gestion soient mis en réseau de manière intelligente. C’est la seule façon d’accélérer le traitement de l’information pendant le processus et d’optimiser les résultats.

Devant la variété des informations, les diviser en catégories/domaines semble tout indiqué (fig.1). Puis, il faut réfléchir et organiser le flux des informations entre chaque catégorie/domaine et enfin mettre en place une suite d’outils adéquats.

FEVFLEX^TM permet la configuration des données du projet, telles que les assignations et la disponibilité des équipes, les délais et les conditions budgétaires. Le logiciel transfert ces données du système ERP et des systèmes de saisie des données machine, au premier domaine informatique : la base de données des essais. Les interfaces graphiques de FEVFLEX^TM permettent une planification et un couplage des programmes et des ressources d’essai (bancs d’essai, instruments de mesure, personnel).

Un système numérique de gestion des commandes permet d’envoyer aux laboratoires et aux ateliers, des instructions accompagnées des données de base afin de préparer les outils de mesure nécessaires et d’initier la configuration. Les informations sur l’objet et le programme d’essai ainsi que les ensembles de données de l’unité de commande sont fournies par le service adéquat.

Il est clair que des outils d’information doivent également promouvoir la collaboration et l’échange d’informations entre les partenaires lors de la planification des tâches afin que les informations puissent être combinées efficacement et sans aucune perte.

Chez FEV, nos départements spécialisés et nos centres d’essais le font en utilisant le même front-end de la base de données des missions d’essais, comme le montre la Fig. 2.

Les données de l’ordre de contrôle sont automatiquement transmises au deuxième domaine d’information. FLEX Lab^TM crée la configuration du système d’automatisation du banc d’essai, MORPHEE^TM, où il sert de base pour effectuer les essais.

Dans la base de données des essais, les différentes étapes d’essai, telles que la mesure des caractéristiques du moteur, la courbe de pleine charge ou un cycle d’émission, sont spécifiées en fonction des types d’essai requis (voir figure 2). Étant donné que l’information est héritée, seuls les écarts par rapport aux exigences d’essai prévues doivent être enregistrés pour les étapes suivantes. L’opérateur du banc d’essai sélectionne l’étape appropriée dans la base de données via l’interface du système d’automatisation, créant ainsi une connexion avec les données de mesure.

En reliant les données d’affectation avec les règles associées, les points de consigne réellement atteints et les données de mesure synchronisées dans le temps, on obtient un ensemble complet de données pour le calcul des résultats et pour les analyses ultérieures. Les calculs sont effectués au besoin. Le système d’automatisation calcule en temps réel les écarts de régulation ou des critères de qualité importants. Une fois que le système les traite, ils sont transférés dans la base de données. Des calculs supplémentaires basés sur une liste normalisée de formules sont effectués après l’importation des résultats, et enregistrés séparément.

A l’issue de chaque étape, nous disposons donc d’un ensemble de données informatives disponibles pour l’assurance qualité ou pour des analyses complémentaires.

Dans le troisième domaine – la base de données opérationnelle – la fonctionnalité journal de bord de FEVFLEX^TM permet d’enregistrer les états de fonctionnement, ainsi que les messages d’erreur des systèmes d’automatisation et des appareils de mesure.

L’opérateur du banc d’essai complète ces informations par des rapports sur les schémas d’erreur et les causes profondes. Si nécessaire, le personnel prépare également des rapports 8D, comme le montre la Fig. 3, qui sont transmis directement aux ateliers ou laboratoires responsables via un système de messagerie.

Cela fait de la base de données opérationnelle un outil important pour soutenir les opérations. Durant l’organisation de l’installation d’essais, divers Responsables d’équipement reçoivent chacun des rapports sur les codes d’erreur relevant de leur compétence ainsi que sur les anomalies, les erreurs et les causes fondamentales contenues dans ces rapports. Une interface puissante leur fournit des informations détaillées et ils peuvent intervenir rapidement et sélectivement en cas de risque.

L’héritage des données d’affectation de test relie toutes les informations des étapes de test et des opérations. Toutes les informations peuvent encore être tracées et la préparation de l’historique des composants, c’est-à-dire les spectres de charge, les mesures et les anomalies subies pendant la phase de test, est considérablement simplifiée.

Assurance de la qualité à l’aide de contrôles de plausibilité en ligne

Afin de vérifier et d’examiner la plausibilité des résultats de mesure pendant l’exécution des essais, l’interface entre le banc d’essai et la base de données offre un outil de transfert de données avec des caractéristiques améliorées, comme le montre la figure 5. Il importe successivement les données brutes dans la base de données de test pendant le processus de mesure en cours, effectuant des analyses automatiques comme il le fait. L’opérateur du banc d’essai reçoit des informations continues sur les résultats d’essai via la visualisation à l’écran (voir Fig. 4) et peut, si nécessaire, intervenir pour effectuer des corrections manuelles, sauf si elles sont déjà effectuées automatiquement.

Outre la confirmation du respect des règles d’essai, les contrôles de plausibilité consistent à s’assurer que les résultats des mesures sont complets et à comparer les mesures à une plage de valeurs attendues mais non encore critiques. Ils permettent la détection précoce de changements ou de dysfonctionnements dans l’élément de test ou même dans l’équipement de test. De plus, l’outil de transfert peut effectuer une analyse guidée par les données des temps de parcours du gaz lors de la mesure des émissions et effectuer une analyse de régression afin de calculer et d’examiner rapidement la plausibilité des valeurs d’émissions spécifiques. Les résultats du contrôle de vraisemblance sont également enregistrés dans la base de données des tests.

Les contrôles de plausibilité en ligne lors de l’importation des données contribuent ainsi de manière significative à l’assurance qualité des opérations de test.

Post-processing and Reporting

Les rapports automatisés sont basés sur la définition de rapports lisibles par machine, ainsi que sur des modèles de rapports et des noms normalisés. Une mesure de qualité typique utilisée par les installations d’essais est la prise régulière, au moins quotidienne, de mesures de référence basées sur des points de fonctionnement caractéristiques. L’état des données de l’élément à tester et les conditions de test sont maintenues constantes à tout moment. Cela permet de détecter rapidement les modifications ou les décalages de mesures sur de longues périodes de test ou après des modifications ou des réparations.

La fonction d’analyse intégrée à l’outil de transfert de données appelle la génération automatisée d’un rapport dans l’outil d’évaluation, UNIPLOT^TM.

Cette fonction complète les données actuellement mesurées par des mesures de référence déjà enregistrées depuis le début du test.

En plus des rapports de qualité, d’autres rapports d’essais spécifiques au projet ont été définis. Ils sont disponibles peu de temps après la fin de chaque test grâce au traitement automatique des résultats de test qui seront présentés. Les calculs des projets individuels sont stockés dans la base de données sous forme de règles de calcul supplémentaires, ce qui permet d’étendre le contenu des rapports de tests automatisés.

Mise en réseau mondiale des centres d’essais

Si les essais sont organisés sur plusieurs sites, par exemple lorsqu’il s’agit d’éviter une logistique compliquée pour les éléments et composants d’essai, mais qu’une autre installation possède l’expertise en la matière, il devient essentiel d’avoir un échange rapide et sûr d’informations au sein du réseau mondial de l’entreprise.

Il n’est pas obligatoire que les bases de données soient situées au même endroit que le site d’exécution des essais ou les services spécialisés. Afin d’assurer l’efficacité des opérations d’essai tout en respectant les normes de qualité, une partie des résultats d’essai doit être disponible sur place peu de temps après. Ceci est rendu possible par la réplication de l’outil de transfert de données à l’installation locale. L’outil effectue ensuite les contrôles de vraisemblance en ligne et prépare les rapports qualité. En même temps, l’outil local de transfert des données organise le transfert des données vers la base de données centrale, où il commence les calculs supplémentaires et la préparation des rapports de projet, comme illustré à la figure 6. L’installation d’essais dispose donc en quelques minutes d’un rapport complet sur l’assurance qualité et d’une analyse initiale.

La base de données d’assignation de test et la base de données de test sont accessibles directement à l’aide d’une infrastructure de bureau virtuel. L’équipe d’experts peut ainsi définir de nouvelles affectations de test ou des étapes de test individuelles, qui sont mises à la disposition de l’opérateur du banc d’essai sous forme de commandes enregistrées dans la base de données centrale des tests. Pour faciliter la communication et la collaboration mondiale, la FEV utilise également des stations de contrôle virtuelles. Comparable à la salle de contrôle centrale d’une installation d’essais (voir Fig. 4), un poste de contrôle virtuel est également utilisé pour transférer des informations sur les contrôles de plausibilité en ligne et l’état de l’automatisation et de l’outil d’application.

Les étapes de test peuvent être assignées en continu et les résultats complets des tests peuvent être communiqués rapidement entre une équipe d’experts et une installation de test à distance via la base de données de test. Dans le cadre d’une série de projets organisés à l’échelle internationale menés à la FEV, il a été démontré que l’ensemble des résultats d’essais, y compris tous les calculs et rapports automatisés pour une étape d’essai, peuvent être disponibles dans le monde entier en 15 minutes au plus tard.

La base de données de tests partagée de la FEV est donc la plate-forme centrale du réseau mondial d’activités de tests du groupe.

FEV a mis au point les normes et les outils de gestion de l’information nécessaires et les perfectionne en permanence. Sur cette base, nos clients disposent d’une gamme de produits attrayante – du système d’automatisation MORPHEE^TM à la gestion des données dans FEVFLEX^TM et FLEX Lab^TM en passant par l’évaluation dans UNIPLOT^TM pour la gestion des informations dans les installations de test.

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Rédigé par:

 Stefan Trampert

trampert@fev.com

Les fonctions de conduite automatisées et la conduite autonome influencent fondamentalement la façon dont nous évoluerons à l’avenir. La validation de ces fonctions nécessite des systèmes qui, lors des essais routiers, reconnaissent les différents scénarios du trafic, les évaluent et les préparent pour les développeurs. FEV, en tant que développeur mondial de véhicules, relève ce défi central avec un système de gestion et d’évaluation des données développé en interne, qui utilise la puissance de calcul de la plateforme Microsoft Azure, une plateforme de cloud computing.

Selon les estimations actuelles, 240 millions à 16 milliards de kilomètres* sont nécessaires pour valider une fonction de conduite automatisée. Cependant, ce n’est pas la quantité d’essais qui détermine la maturité d’un système, mais le nombre de situations de circulation « vécues » dans lesquelles les algorithmes doivent prendre une décision active – par exemple, lors d’une manœuvre de dépassement sur autoroute.

A cet égard, le système de gestion des données V2I (Vehicle-to-Infrastructure) mis en place par FEV est une solution efficace pour le développement et la validation de ces fonctions de conduite. En effet, outre la durée et le nombre d’essais, les quantités de données obtenues constituent également un défi majeur en matière de validation. Le jeu de capteurs installé dans le véhicule, composé de caméras, de lidars (détection et télémétrie) et de radars (détection et télémétrie radio), génère rapidement jusqu’à 40 téraoctets de données en une seule journée.

C’est précisément de cela qu’il s’agit avec la solution de gestion de données de FEV. Tout d’abord, un enregistreur de données en réseau, développé en interne, prend en charge la collecte des signaux sélectionnés du véhicule et les envoie en temps réel en arrière-plan pendant l’essai routier. Pour ce faire, FEV a de nouveau coopéré avec Microsoft. Grâce à la combinaison des produits Azure Cloud Microsoft et du hub IOT (Internet of Things) responsable du transfert des données. FEV a pu compter sur une chaîne d’outils performante et bien établie. Les données envoyées par le véhicule sont stockées dans le Cloud, tandis que des algorithmes analysent ces signaux en fonction de scénarios pertinents. Il est ainsi possible d’envoyer un retour d’information aux ingénieurs concernés, même pendant les essais routiers, et de coordonner de manière flexible des flottes entières selon un plan prédéfini.

Un horodatage standardisé simplifie considérablement le nettoyage et la préparation de toutes les données du véhicule. Ce pré-filtrage basé sur des scénarios permet également un stockage économique des données dans le cloud. Seuls les paquets de données ou les scénarios préalablement détectés sont chargés dans le cloud hot storage, qui est la couche disposant de la plus grande puissance de calcul et de la meilleure gestion des accès. Les sections moins importantes sont sauvegardées dans des zones du cloud moins performantes mais aussi plus abordables.

En tant que partenaire d’intégration et de développement dans des projets de production en série de divers constructeurs automobiles, l’évaluation et la validation des données des capteurs ont rapidement fait leurs preuves. Afin de minimiser le temps d’essai général sur les routes réelles et les coûts associés, FEV transfère de plus en plus d’essais aux environnements de simulation et aux laboratoires.

La solution d’enregistrement de données, en combinaison avec le logiciel intégré au Cloud de FEV, constitue une étape importante pour la construction d’un environnement de développement holistique pour les environnements ADAS/AD. La préparation des données à l’aide d’une reconnaissance et d’une classification automatisées en fonction de la situation de conduite est à la base de toutes les autres étapes du processus.

Alors que les systèmes d’assistance à la conduite en série reposent encore aujourd’hui sur des règles prédéfinies, FEV estime qu’à l’avenir, cela sera également possible grâce à l’apprentissage automatique. L’objectif de FEV est de permettre à l’intelligence artificielle de gérer les situations les plus complexes et d’anticiper avec précision le comportement des usagers.

Le partenariat avec Microsoft en est un élément important. La collaboration interdisciplinaire entre les secteurs de l’industrie automobile et les technologies de l’information donne naissance aux innovations interentreprises qui offrent des avantages décisifs en termes de temps et de développement. Lors du salon IAA de cette année à Francfort, les visiteurs ont eu l’occasion de voir les résultats de la coopération sur le stand de Microsoft.

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*Sources:

How many Miles of driving would it take to demonstrate Autonomous Vehicle Reliability? Nidhi Kalra, Susan Paddock

Prof. Hermann Winner, Head of Vehicle Technology, Project Leader Pegasus

Outre les concepts de motorisation respectueux de l’environnement et la conduite automatisée, des progrès sont également réalisés dans d’autres secteurs de l’industrie automobile. La conception de l’éclairage prend de plus en plus d’importance en ce qui concerne les applications de sécurité et la différenciation des marques. EDL Rethschulte d’Osnabrück, Allemagne – une filiale de FEV – s’est spécialisée dans cette discipline. Fort de cette expertise, le Groupe FEV propose des solutions qui ont une influence directe sur la perception, la sécurité et l’exploitation des futures voitures.

Ces solutions s’appuient sur de nombreuses années d’expérience, par exemple dans le développement de systèmes d’éclairage innovants pour les phares ou d’OLED transparents pour les feux arrière. Le dernier développement en date permet d’améliorer la visibilité de la voiture. Le REALEYES Micro-Lens Array (MLA), est un ensemble de projecteurs LED extrêmement compacts et légers de la taille d’une cosse. Avec leur aide, des images ou des graphiques, par exemple, peuvent être projetés de presque n’importe quel angle sur n’importe quelle surface, sans se déformer. Même les angles obtus à l’extrême ne posent aucun problème, ce qui, en plus de sa structure compacte, permet une grande flexibilité lors de l’installation et réduit les coûts. Les solutions précédentes consistaient le plus souvent en des projets avec une seule lentille et ne pouvaient pas exécuter des projections diagonales avec des contours nets.

La solution FEV est efficace même avec un contraste élevé et un éclairage homogène. Elle ouvre de toutes nouvelles possibilités d’utilisations. D’une part, ces nouvelles projections graphiques offrent un design innovant, comme par exemple un tapis de lumière, qui installe le conducteur dans un environnement agréable. Dans les concepts de transport, tels que le SVEN à 3 places entièrement électrique, que FEV a présenté cette année au Salon de l’automobile de Genève en tant que « concept de transport en autopartage », la nouvelle technologie MLA offre la possibilité d’autres utilisations informatives. Par exemple, l’utilisateur qui cherche sa voiture de location sur un parking, peut être accueilli par une projection lumineuse externe juste à côté de la voiture en question.

Cette nouvelle technologie d’éclairage offre non seulement des avantages en termes de design, mais aussi des avantages fonctionnels élevés et une sécurité accrue, qui deviendront à l’avenir la norme, notamment dans les véhicules électriques. Ils se déplacent presque silencieusement et sont donc à peine audibles, cette solution leur permet d’être tout à fait visibles de loin grâce à des projections qui se reflèteraient sur la chaussée devant eux.

On peut également imaginer des scénarios dans lesquels la projection d’un passage pour piétons devant le véhicule informe les piétons que le véhicule s’arrête et qu’ils peuvent traverser la route. Les avertissements transférés sur la route peuvent avertir les cyclistes que la porte d’une voiture garée sur le bord de la route s’ouvre. De plus, lorsqu’on fait marche arrière ou qu’on sort d’une place de stationnement, il est possible d’obtenir des informations visuelles similaires pour les usagers de la route.

Un autre point central de la technologie MLA est la 3D. Une technologie 3D innovante, développée en interne et déjà utilisée avec succès sur le marché publicitaire, offre également de toutes nouvelles possibilités dans le domaine automobile. Alors que les procédés 3D précédents pour les écrans reposaient sur les principes bien connus des lunettes 3D, holographies ou encore d’auto-stéréoscopie, le brevet d’EDL est basé sur le champ lumineux. Il peut être utilisé pour produire des images tridimensionnelles de haute qualité qui peuvent être vues sans lunettes ou autres aides.

Avec les technologies autostéréoscopiques, l’effet 3D disparaît lorsque vous fermez un œil, car une image individuelle est projetée devant chaque œil et ce n’est donc qu’une illusion 3D. Un autre défi est que le cristallin de l’œil humain n’a pas besoin d’être focalisé sur la profondeur perçue d’un objet représenté mais sur la distance de l’écran. Cela entraîne souvent des irritations et des maux de tête chez le spectateur. De tels effets désagréables ne se produisent pas avec la technologie du champ lumineux de EDL. Même avec un œil fermé, le spectateur perçoit toujours une image physique tridimensionnelle, puisque les points de l’image sont projetés dans l’espace par des rayons lumineux, ce qui donne une véritable image tridimensionnelle.

La base de cette technologie brevetée est également le système MLA. Il se compose de nombreuses micro-lentilles, de la taille d’une tête d’allumette sur un mètre carré soit: 253 000 lentilles. Ces lentilles sont fabriquées avec une précision de moins d’un micromètre, ce qui est essentiel pour produire des écrans 3D de haute qualité. Ce procédé de fabrication fait également partie du savoir-faire d’EDL. Un film spécial est utilisé comme support de stockage, qui se trouve derrière les micro-lentilles et est capable de stocker de grandes quantités de données. Ceci est nécessaire, car chacun des 253 000 objectifs montre l’image complète, qui s’écarte de quelques millièmes de l’objectif voisin, et chacune de ces images individuelles est composée de 65 000 pixels. Lors de la fabrication, l’information d’image pour l’optique est délivrée par une unité d’exposition à LED brevetée par EDL, qui assure une orientation précise. Il n’y a pas d’erreurs de couleurs ou de distorsions avec cette méthode.

Cette technologie donne au spectateur l’impression que les objets dépassent d’un mètre de l’écran, ce qui donne lieu à des domaines d’application passionnants pour le secteur automobile. Dans le cockpit du véhicule du futur, il sera possible de créer des éléments de commande holographiques tels qu’un contrôleur tridimensionnel ou un interrupteur projeté virtuellement depuis la console centrale, que le conducteur pourra commander confortablement à la main et qui seront interceptés par les capteurs.

De plus, à l’extérieur du véhicule, ce développement 3D peut s’avérer avantageux – par exemple, intégré dans les phares. Dans ce cas de figure, l’utilisation d’optiques plastiques qualité verre, a donné lieu à des libertés de conception entièrement nouvelles, permettant une hauteur de phare de seulement 11 mm et contribuant ainsi à un gain de poids significatif.

Ce savoir-faire dans le domaine de la lumière 3D a déjà été utilisé pour développer des feux arrière pour des prototypes de véhicules, dans lesquels le feu arrière dépasse optiquement de l’arrière du véhicule et est donc perçu plus rapidement qu’avec des feux classiques. Par le passé, les constructeurs automobiles ont, par exemple, dû travailler avec des rétroviseurs pour obtenir un effet de profondeur similaire, qui est cependant loin d’être aussi prononcé. Grâce à cette technologie d’éclairage 3D, les usagers de la route bénéficient d’un avantage certain en termes de sécurité avec un espace de montage nettement réduit.

Cet article a été écrit par Lutz Heyser et Philipp Von Trotha.

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Un nouveau marché pour les acteurs de l’automobile ?

FEV s’attend à une forte croissance sur le marché de la mobilité aérienne urbaine et voit l’opportunité pour les acteurs de l’automobile de faire des affaires sur ce marché de plusieurs milliards de dollars et ainsi diversifier leur portefeuille de produits.

La mobilité est un facteur déterminant pour la qualité de vie en milieu urbain. Le nombre des passagers urbains doublera d’ici 2050. Ce nombre poussera le transport terrestre conventionnel à ses limites. L’amélioration des transports terrestres est limitée par les investissements importants, le trafic et les délais. Les zones métropolitaines et les villes seront donc confrontées à des défis importants en matière de pollution, de bruit et de congestion.

Cependant, les routes célestes ont du succès depuis des décennies pour les transports longue distance car sûrs et efficaces. Aujourd’hui déjà, les hélicoptères conventionnels opèrent comme taxis aériens dans des villes comme New York. Un vol de 8 minutes de l’aéroport JFK à Lower Manhattan coûte environ 200 $ US par passager en utilisant le service Uber Copter Air Taxi. La compagnie Blade offre un laissez-passer aux aéroports pour des frais annuels de 295 $ US, chaque vol entre Manhattan et NYC coûtant 145 $ US. Par comparaison avec le transport terrestre, le même trajet coûte 55 $US pour un taxi régulier et 120 $US à 180 $US pour un service Uber Black plus confortable, mais prend de 55 à 100 minutes.

Des développements technologiques récents permettent la percée de l’avion eVTOL

Les tarifs élevés du transport en hélicoptère s’expliquent par le coût d’exploitation de ce dernier. En outre, les émissions sonores limitent l’utilisation des services actuels de taxi aérien. Il y a peu, des startups et des compagnies aériennes bien établies ont mis au point de nouveaux concepts d’avions: des avions électriques à décollage et atterrissage verticaux (eVTOL) équipés de la propulsion électrique répartie (DEP). Le nombre de brevets liés à eVTOL a considérablement augmenté ces dernières années, les États-Unis, la Chine et l’Allemagne étant à l’avant-garde. Le catalyseur de la technologie eVTOL est basé sur les récentes améliorations technologiques des batteries, des moteurs électriques et de l’automatisation, ce qui présente plusieurs avantages par rapport aux hélicoptères classiques : Ils promettent un fonctionnement plus sûr, plus silencieux et nettement moins coûteux. Grâce à la disponibilité de la technologie eVTOL, Uber prévoit à court terme un coût nettement inférieur à 5 $ US par passager au mile (1,6km) pour son service aérien Uber.

En raison des avantages des avions eVTOL, une forte croissance du marché eVTOL est attendue. Grâce à nos connaissances dans l’industrie eVTOL et à l’expérience de FEV Consulting dans le cadre d’un important projet de mobilité aérienne urbaine, nous avons prévu la taille mondiale de la flotte eVTOL jusqu’en 2040. La projection tient compte de plusieurs paramètres tels que l’attrait économique des taxis aériens eVTOL, les conditions environnementales, les réglementations, les politiques et les infrastructures sous-jacentes. En outre, la probabilité culturelle de l’adaptation technologique et le nombre de fabricants de eVTOL attendus et crédibles ont été pris en compte.

Le marché des concepts eVTOL est largement diversifié, avec un ensemble commun de technologies telles que la propulsion électrique.

Plus de 80 start-ups et constructeurs développent actuellement plus de 100 concepts d’avions eVTOL. Après un examen approfondi de ces concepts, FEV Consulting s’attend à ce que moins de 20 % d’entre eux conviennent au « covoiturage aérien » et soient développés par des acteurs crédibles qui ont la capacité de mener à bien le développement complet de son concept et sa certification en exploitation. Les différents cas d’utilisation sont un facteur clé de la grande diversification conceptuelle du paysage des avions eVTOL. Le principal différentiateur est l’architecture de l’avion et le concept de propulsion qui lui est associé : Il peut être distingué entre l’architecture multirotor, l’architecture lift & cruise et l’architecture tilt rotor/wing. Bien qu’il existe également des différences dans la source d’énergie, c’est-à-dire les systèmes purement électriques et hybrides, les paragraphes suivants se concentrent sur le moteur électrique.

Les exigences liées aux performances du véhicule diffèrent d’une architecture à l’autre selon les différentes vitesses de croisière, les exigences de masse maximale au décollage (MTOW), et aussi selon le nombre de moteurs électriques. Les densités de puissance et de couple ainsi que l’efficacité des moteurs électriques sont très importantes pour les aptitudes et les performances de l’avion. La figure 5 donne un aperçu de la densité de puissance des moteurs électriques des fournisseurs en aéronautiques par rapport aux applications de moteurs à piston ou turbines certifiés. Il montre pourquoi la propulsion électrique devient si populaire pour eVTOL, mais elle est également attrayante pour les petites applications de l’aviation générale, puisque les moteurs électriques de pointe permettent de gagner du poids par rapport aux moteurs à piston.

De plus, les moteurs électriques de ces avions doivent être très fiables car les dysfonctionnements peuvent conduire à des situations critiques en plein vol. Durant l’exploitation, une disponibilité sans failles et de nombreux intervalles de maintenance sont de mises. Étant donné que les avions sont de conception légère, principalement basée sur des matières composites, la dureté de vibration (NVH) des moteurs électriques devrait être réduite à son minimum pour éviter les vibrations sur le fuselage et les composants. L’utilisation de moteurs électriques au lieu de turbines est une opportunité pour les acteurs de l’automobile ayant des activités dans l’électrification des groupes motopropulseurs.

Urban Air Mobility est une voie d’entrée attrayante dans l’industrie aéronautique pour les acteurs de l’automobile.

L’industrie aérospatiale se caractérise par de faibles quantités par rapport à l’industrie automobile dont la production en série est rentable. L’Airbus A320 le plus vendu a été vendu 417 fois en 2018, soit moins d’un dixième du volume des ventes hebdomadaires d’une BMW série 3 avec 366.475 unités en 2018.

Des composants clés comme le système de propulsion sont essentiels au vol pour des questions de sécurité évidentes. Par conséquent, ces produits doivent être conformes aux spécifications de certification définies par les autorités réglementaires telles que la Federal Aviation Administration (FAA) des États-Unis ou l’Agence européenne de la sécurité aérienne (EASA). La certification exige, entre autres, des essais approfondis, une validation et une documentation et des rapports détaillés connexes. De plus, un certificat approuvant la fabrication du produit est requis et tous les composants produits doivent être hautement traçables. Ces exigences de certification et de conformité amènent à un fort développement de l’industrialisation sur de faibles quantités.

Au contraire, le marché de l’automobile se caractérise par un chiffre d’affaires élevé et une forte concurrence qui exige une production de masse rentable. L’effort pour obtenir l’homologation d’une voiture est différent de celui pour un avion, mais les nouveaux eVTOL sont également moins complexes que les avions commerciaux comme l’A320. Par conséquent, les capacités de l’industrie automobile peuvent contribuer à réduire les coûts, à rendre les tarifs de taxi aérien plus abordables pour un public plus large et à contribuer à la croissance prévue du marché de l’industrie eVTOL.

Au début, les acteurs du secteur automobile pourraient percevoir les exigences de certification comme une barrière infranchissable. Toutefois, leurs connaissances et leur expérience dans l’industrie automobile pourrait être non pas un frein mais un avantage. Tout d’abord, les connaissances acquises sur leurs produits, pourraient aider à établir un niveau élevé de confiance pour que les autorités respectives puissent certifier de nouveaux produits venant de nouveaux acteurs. Ensuite, les acteurs du secteur automobile développent leurs produits selon les normes (automobiles) ISO et SAE, qui sont similaires aux normes connexes de l’industrie aéronautique. Enfin, l’industrie automobile possède une bonne expérience en matière de chaîne d’approvisionnement, de logistique et de processus de production qui seront nécessaires pour obtenir un rendement supérieur à celui de l’industrie aéronautique conventionnelle actuelle. Par conséquent, il pourrait y avoir une lacune, mais pas un démarrage à froid pour introduire les produits automobiles sur le marché de l’aviation.

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Ecrit par Denis Heckmann, Alexander Nase et Maximilian Fischer de FEV Consulting.

Si l’on considère le développement actuel des moteurs et les prévisions du marché, la technologie 48 V prend de plus en plus d’importance dans l’industrie automobile. Cette technologie est un élément important des stratégies d’électrification de nombreux constructeurs automobiles. Avec un effort technique modéré, il est possible de réduire à court terme les émissions de CO2 de la flotte de véhicules. Dans le même temps, l’électrification 48 V offre un potentiel important de réduction des émissions en conditions de conduite réelles (real driving emissions – RDE). Compte tenu des nombreuses fonctions, telles que le freinage récupératif, l’optimisation du point de charge, l’arrêt du moteur en navigation, ainsi que les options d’électrification pour la charge, la dynamique de conduite, la climatisation et les systèmes d’échappement, il est déjà prévisible que les performances et réserves énergétiques des systèmes compétitifs 48 V seront limitées.

La comparaison avec les systèmes hybrides haute tension de la figure 1 montre que la plage de fonctionnement des systèmes mild hybrides 48 V se rapproche clairement des limites du système. Le nombre croissant de composants 48 V augmente en outre la dynamique des exigences en matière de couple et les variations en termes de stratégie de fonctionnement. Cela s’accompagne d’interactions, de structure dynamiques et d’une grande complexité du système qui poussent les stratégies d’exploitation basées sur les règles au maximum de leurs limites. L’utilisation de la gestion prédictive de l’énergie est très prometteuse, car l’énergie et la puissance électrique disponible sont idéalement réparties dans le réseau de bord 48 V, ce qui permet un fonctionnement idéal des systèmes 48 V conçus pour économiser coûts et ressources.

Un véhicule conceptuel

En coopération avec l’université RWTH d’Aix-la-Chapelle en Allemagne, FEV a développé un concept car mild hybrid 48V. Le véhicule choisi est une Mercedes-Benz AMG A45 équipée des 4 roues motrices et d’une transmission à double embrayage 7 rapports. Le véhicule de série est équipé d’un moteur à essence turbocompressé de 2,0 l d’une puissance spécifique de 133 kW/l. Cette performance impressionnante est obtenue grâce à l’utilisation d’un turbocompresseur (ETC) de grande capacité qui, malgré la technologie twin-scroll, limite considérablement le couple maximal à bas régime et entraîne un sensible retard de réponse. Dans ce contexte, la compression électrifiée et/ou le soutien électrique du couple peuvent améliorer considérablement l’élasticité, en particulier à bas régime. Le groupe motopropulseur mild hybride de 48 V est représenté schématiquement à la figure 2. L’élément principal est l’alterno-démarreur (BSG) relié au moteur à combustion (ICE) par une courroie. La topologie P0 permet une variété de fonctions hybrides telles que la régénération, le changement de point de charge et le support de couple électrique. Comme la puissance maximale pouvant être transmise par la courroie est limitée et qu’il y a une connexion permanente au moteur à combustion, le système ne permet pas de roulage tout électrique.

Il y a également un compresseur électrique (EC) positionné dans le circuit d’air de suralimentation, en amont de l’intercooler. L’EC atteint un rapport de pression maximum de 1,45 et peut augmenter de manière significative la compression, et donc diminuer le temps de réponse, dans des plages de fonctionnement à faible enthalpie d’échappement, quelle que soit la condition de fonctionnement du BSG. Le concept car est exploité à l’aide d’un prototypage rapide de contrôle-commande (RCP).

Stratégie opérationnelle.

Une stratégie opérationnelle orientée sur les performances de conduite, fondée sur des règles et avec une distribution de puissance basée sur les priorités, contrôle la compression électrique ainsi que le support du couple électrique du BSG (figure 3). La stratégie d’exploitation se compose des fonctions de soutien du couple et de la distribution générale de l’énergie électrique. La charge électrique est contrôlée par le rapport de pression entre la compression souhaitée et la compression actuelle dans le collecteur d’admission. Tant que la pression de suralimentation de l’ETC régulée par la vanne d’évacuation (WG) ne fournit pas la pression de suralimentation souhaitée, la pression est augmentée sur le trajet d’air à travers l’EC. La vitesse de rotation requise est calculée à l’aide du diagramme du compresseur de l’EC, puis limitée en fonction de la puissance électrique disponible.

Contrairement à la compression électrique, dont la puissance d’entraînement résulte de la masse d’air et de carburant supplémentaire, le BSG transforme directement l’énergie électrique en énergie d’entraînement mécanique qui supporte le moteur thermique (figure 2). Le couple requis par le BSG résulte de la différence entre le couple actuel du moteur thermique et les besoins du conducteur. Lorsque la pédale d’accélérateur est enfoncée, cette différence est positive, de sorte que le BSG comble temporairement le déficit de couple. Le couple BSG est alors limité en fonction de la puissance électrique disponible.

Les limites de puissance électrique des différents composants 48 V sont prescrites par la gestion de l’énergie électrique. Lors d’une accélération, la batterie 48 V doit également alimenter la pompe à eau et le réseau 12 V via le convertisseur DC/DC, en plus de l’EC et du BSG. Il est donc nécessaire d’établir un ordre de priorité d’utilisation des composants de 48 V en fonction de la situation. La capacité de décharge disponible de la batterie est, dans ce contexte, prescrite par le système de gestion de la batterie (BMS). La capacité de décharge électrique disponible pour les composants 48 V respectifs est ensuite calculée en fonction de leur priorité et de la consommation électrique réelle des éléments ayant une priorité plus élevée. Afin d’assurer une conduite fiable, le refroidissement du moteur et le réseau 12 V ont une priorité élevée dans ce contexte. La puissance restante est mise à la disposition de l’EC et du BSG en tenant compte d’un rapport de puissance calibrable.

Même si de telles approches fondées sur des règles peuvent être améliorées par d’autres dépendances, leurs principes comportent des inconvénients. Par exemple, la stratégie d’exploitation réagit simplement à l’état actuel du système et ajuste les paramètres indépendamment de l’état de charge attendu. Cependant, comme le comportement temporel de l’augmentation du couple et le rendement dépendent fortement de l’état de charge, de la stratégie de fonctionnement choisie de l’entraînement électrifié (ICE avec ETC, EC et BSG), et des limites du système électrique, ce contrôle est généralement sous-optimal.

Gestion optimisée de l’énergie

La gestion de l’énergie basée sur l’optimisation prédictive utilise les informations dynamiques de l’horizon électronique pour l’optimisation à long terme du guidage routier et de la trajectoire de vitesse (figure 4).  Sur la base de ces informations et de systèmes de capteurs adéquats pour la détection de l’environnement, la gestion hybride prend en compte les limites de puissance électrique et la prédiction de charge pour déterminer les stratégies idéales de sélection de vitesse, de couple moteur et de charge pour un horizon à moyen terme. Les valeurs prédites du système permettent également de dériver l’évolution prévisible de l’état de charge de l’accumulateur d’énergie électrique, qui adapte un facteur de pondération de l’énergie. Ce facteur représente l’importance de l’énergie électrique dans le bilan énergétique et influence directement l’optimisation énergétique dans la gestion des entraînements (équation 1).

Equation 1

ETot = ∑N k=0E Chem(kT) + ξE El(kT)

Dans le même temps, le comportement de réponse par la régulation du couple d’entraînement, qui est constitué du couple du moteur thermique et du couple électrique (équation 2), est optimisé tout en respectant les limites dynamiques du système 48V.

Equation 2

ΔM_Antrieb = ∑^N _k=0M _{Antrieb, Soll} (kT) − M_VM(kT) − i_RiemenM_RSG(kT)

Le contrôle prédictif de modèle non linéaire (NMPC) repose sur un modèle temps réel simplifié du groupe motopropulseur mild hybride 48 V. Il fonctionne avec un horizon temporel de quelques secondes et comprend des incréments de temps de l’ordre du centième ou du dixième de seconde pour la représentation de la dynamique non linéaire du système.

Le NMPC calculera l’évolution idéale des paramètres pour le WG et l’EC, qui influencent le couple du moteur thermique par le biais du circuit d’air, ainsi que le couple du BSG, qui peut être obtenu par l’ajout de la distribution. Ainsi, les différences de comportement temporel du circuit d’air de suralimentation et du couple BSG, et leur impact sur le rendement global de la chaîne de traction électrifiée sont pris en compte dans l’optimisation.

Résultats

Le NMPC a fait l’objet d’un examen plus approfondi lors d’une co-simulation validée d’un mild hybride 48 V de segment B essence turbocompressé, avec compresseur électrique et BSG (P0). La figure 4 présente une comparaison entre le NMPC et l’approche fondée sur des règles à pleine charge pour divers facteurs de pondération de l’énergie (ξ). Un facteur de pondération énergétique de quatre correspond à un facteur d’efficacité de charge global de 25 %, tandis que l’énergie électrique dans le cas limite de zéro, par exemple en raison d’un état de charge élevé de la batterie et d’une descente prochaine, est gratuite. En raison de l’absence de prévisions, la stratégie d’exploitation basée sur des règles réagit de manière identique dans les deux cas, tandis que le NMPC ajuste les paramètres pour le WG, l’EC et le BSG en fonction de la situation afin d’obtenir un couple d’entraînement souhaité. De plus, la variation des paramètres d’optimisation montre que le NMPC réduit le couple d’entraînement en augmentant la pondération de l’énergie (h˜NMPR ↑), afin de réduire la consommation d’énergie. Si l’énergie électrique est gratuite (ξ=0), le couple d’entraînement est décalé vers le BSG, tandis que le EC accumule la pression de charge avec le WG ouvert, afin de réduire les pertes de charge. A l’inverse, sur ξ = 4, le NMPC n’apporte qu’une aide brève par l’intermédiaire du BSG afin d’utiliser la dynamique rapide de la machine électrique et d’économiser ainsi de l’énergie électrique.

La stratégie opérationnelle, dans un tel scénario d’accélération, est toujours un compromis entre le comportement de réponse et l’efficacité énergétique. Le comportement de réponse est décrit par le temps d’accélération et l’économie d’énergie par l’inverse de l’efficacité effective de l’entraînement. Avec une variation de la limitation de la puissance électrique, les conditions cadres sont modifiées.

De plus, pour chacune de ces trajectoires de puissance, l’ordre de priorité de la stratégie fondée sur des règles et le ratio de pondération de l’optimisation du NMPC étaient variables. Il devient clair que l’augmentation des économies d’énergie se fait au détriment du comportement de réponse. Cependant, le NMPC résout beaucoup mieux le conflit d’objectifs et peut décrire à la fois la consommation d’énergie et les économies d’énergie grâce à l’inverse de l’efficacité effective de l’entraînement. Plus la limitation de la puissance électrique est forte et plus la focalisation sur le comportement de réponse est faible, plus le potentiel du NMPC se développe.

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Écrit par :

Philip Griefnow

Prof. Jakob Andert

RWTH Université d’Aix-la-Chapelle

Traduit par Maxime Fagon, FEV