Formation des enseignants Parcours ET23 : Solutions techniques relatives aux matériaux, à la structure, à l’énergie et aux informations d’un système Module.

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1 Formation des enseignants Parcours ET23 : Solutions techniques relatives aux matériaux, à la structure, à l’énergie et aux informations d’un système Module ET236 : Couplage des sources d’énergie Problématique relevant du transport - Système : Véhicule Hybride 1/26 Batteries Inverseur Moteur électrique Générateur Moteur thermique

2 Formation des enseignants 2/26 ET236 Véhicule hybride « Toyota PRIUS » Caractéristiques et performances (données constructeur) : Moteur thermique : 1.5 L (SP 95) – 55 kW / 77 ch Machine électrique (principale) : 50 kW / 68 ch Puissance combinée : 110 ch Autonomie électrique : 2 km Batterie de puissance : NiMH – 200V 0 à 100km/h DA : 10.9s Consommation : 4.7L/100km (pas de précision sur les conditions de conduite) Rejets : 104g CO 2 / km

3 Formation des enseignants 3/26 ET236 Architecture fonctionnelle  Hybridation série-parallèle, ou à dérivation de puissance  1 moteur thermique Mth – 2 machines électriques réversibles (MS1 aux. & MS2 puissance)  1 dispositif de répartition de la puissance mécanique : PSD (Power Split Device) ou train épicycloïdal  1 dispositif de répartition de la puissance électrique (Inverseur) constitué de plusieurs convertisseurs réversibles  1 sélecteur (positions P D R N B)  1 bouton / mode EV (Electrical Vehicle)

4 Formation des enseignants 4/26 ET236 Architecture fonctionnelle  1 ODB (Ordinateur De Bord)  1 réducteur et sa chaîne silencieuse – 1 différentiel classique de traction  Roues avant motrices  Réservoir de carburant et batterie (puissance) situés à l’arrière  Compartiment AV contient PSD, ODB, Mth, MS1, MS2

5 Formation des enseignants 5/26 ET236 Moteur thermique Train épicycloïdal Machine Synchrone (aux.) MS1 Convertisseur AC/DC (1) Convertisseur DC/DC Batterie puissance Convertisseur AC/DC (2) Machine synchrone 2 (puissance) MS2 Essieu AV Réducteur et différentiel INVERSEUR

6 Formation des enseignants 6/26 ET236 Train épicycloïdal  Porte satellite entraîné par le moteur thermique (Mth)  Planétaire (solaire) relié à la machine électrique auxiliaire (MS1)  Couronne reliée à la machine électrique de puissance (MS2) et aux roues  Satellites (en général 3) Schéma cinématique MS2MS1 Mth

7 Formation des enseignants 7/26 ET236 Le répartiteur d’énergie électrique ou INVERSEUR  2 convertisseurs AC/DC réversibles (1) & (2) réunis au convertisseur DC/ DC principal par le biais de l’INTERCO (Bus continu 500V)  Un convertisseur DC/DC auxiliaire destiné à la recharge de la batterie 12V, conservée pour l’éclairage, la climatisation, …  L’inverseur est piloté par l’Ordinateur de Bord

8 Formation des enseignants 8/26 ET236 Batterie de puissance Batterie 12V climatisation,éclairage,… MS1 MS2 Vers train épi AC DC AC DC 200V 500V INTERCO (2) (1) INVERSEUR PUISSANCE COMMANDE ODB

9 Formation des enseignants 9/26 ET236 Les 5 modes de fonctionnement  100% électrique  Moteur thermique + moteur électrique  Moteur thermique + moteur électrique + batterie de puissance  Récupération d’énergie, freinage régénératif  Recharge batterie

10 Formation des enseignants 10/26 ET236 Modes de fonctionnement & flux d’énergie  100% électrique  Démarrage et vitesse lente. La batterie fournit toute l’énergie nécessaire au déplacement du véhicule. Seul mode disponible en marche AR et en mode Electrical Vehicle

11 Formation des enseignants 11/26 ET236

12 Formation des enseignants 12/26 ET236 Modes de fonctionnement & flux d’énergie  Moteur thermique + moteur électrique (variante avec recharge batterie)  Le moteur thermique entraîne les roues et l’alternateur (MS1) qui alimente le moteur synchrone de puissance (MS2) par l’intermédiaire du convertisseur AC/DC réversible (2). La batterie peut aussi être rechargée, fonction de son niveau de décharge (variante).

13 Formation des enseignants 13/26 ET236

14 Formation des enseignants 14/26 ET236 Modes de fonctionnement & flux d’énergie  Moteur thermique + moteur électrique + batterie de puissance  Le moteur thermique entraîne les roues et l’alternateur MS1. Le moteur synchrone MS2 est alimenté par le générateur MS1 et par la batterie.

15 Formation des enseignants 15/26 ET236

16 Formation des enseignants 16/26 ET236 Modes de fonctionnement & flux d’énergie  Récupération d’énergie, freinage régénératif  Au relâchement de l’accélérateur, la machine synchrone MS2 fonctionne en alternateur (réversibilité de la machine synchrone), la charge (essieu AV) étant entraînante. Le convertisseur (2) fonctionne dans le sens AC  DC pour assurer la charge de la batterie via le convertisseur DC/DC (du 500 au 200V).

17 Formation des enseignants 17/26 ET236

18 Formation des enseignants 18/26 ET236 Modes de fonctionnement & flux d’énergie  Recharge batterie  A l’arrêt (Position P ou frein à pieds), si la batterie à besoin d’être rechargée, ou si l’on donne une impulsion sur l’accélérateur, le moteur thermique démarre. L’axe de transmission vers les roues étant bloqué, la puissance est dirigée en totalité par PSD vers MG1, qui recharge la batterie.

19 Formation des enseignants 19/26 ET236

20 Formation des enseignants 20/26 ET236 Réversibilité des machines & convertisseurs Batterie de puissance AC DC AC DC INTERCO INVERSEUR Moteur thermique Train épicycloïdal Machine Synchrone (aux.) MS1 Machine synchrone 2 (puissance) MS2 Essieu AV Onduleur Moteur  Exemple du mode Moteur thermique + moteur électrique + batterie puissance Generateur Redresseur

21 Formation des enseignants 21/26 ET236 Réversibilité des machines & convertisseurs  Exemple du mode Récupération d’énergie Batterie de puissance AC DC AC DC INTERCO INVERSEUR Moteur thermique Train épicycloïdal Machine Synchrone (aux.) MS1 Machine synchrone 2 (puissance) MS2 Essieu AV Alternateur Redresseur éteint en roue libre Réversible en courant, pas en tension

22 Formation des enseignants 22/26 ET236 Les positions P R N B D du sélecteur  P : frein de Parking : un relais électromagnétique bistable commande le blocage de l’arbre en sortie de transmission au moyen d’un frein à tambour.  R : Marche Arrière (Reverse) : s’effectue uniquement avec le moteur MS1, qui puise son énergie dans la batterie.  N : mode Neutre (Neutral), qui permet de pousser le véhicule ou de le monter sur la dépanneuse. En N, les convertisseurs sont désactivés (« haute impédance ») les machines électriques sont en « roue libre ».  D (Drive) : conduite en mode standard  B : Freinage (Breaking)

23 Formation des enseignants 23/26 ET236 Le freinage  En descente (pentue) le freinage régénératif peut être insuffisant  2 solutions : - Utiliser la pédale de frein - Passer de D à B avec le sélecteur  Mode Breaking (récupération d’énergie « + ») : MS1 fonctionne – comme MS2 – en alternateur et les deux convertisseurs AC/DC se comportent en Redresseur  En sélection N, groupe motopropulseur désaccouplé, freinage par les seuls freins à disque, présents sur les quatre roues  Les freins à disque agissent aussi pour v<7km/h

24 Formation des enseignants 24/26 ET236 Le convertisseur DC/DC  Hacheur réversible en courant à IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) INTERCO  Objectifs : - obtenir 500V aux bornes des onduleurs (INTERCO) à partir d’une batterie 200V - recharger la batterie à partir de MS1 ou MS2 fonctionnant en générateur  commande des IGBT T1, T2 non représentée  voir parcours d’approfondissement « EE » BATTERIE Ni-MH Inductance de lissage T1 T2

25 Formation des enseignants 25/26 ET236 Les convertisseurs AC/AC  Onduleur triphasé  Objectifs : - obtenir un système triphasé de tensions, à fréquence variable (variation de vitesse des machines synchrones) à partir de la tension continue de l’INTERCO - assurer le transfert de l’énergie dans l’autre sens (réversibilité des machines synchrones)  Commande des IGBT non représentée  Voir parcours d’approfondissement « EE » M 3~ INTERCO

26 Formation des enseignants 26/26 ET236 Webographie http://www.hybridsynergydrive.com/fr/mechanism.html http://priustouringclub.com/librairie/mediatheque/screen.htm http://prius.ploki.info/index.php?n=Main.Simulateur Pour aller plus loin « LA REVUE 3EI » : articles n°44 (mars 2006) et n°45 (juin 2006) Parcours d’approfondissement « Energie & Environnement »