Optimisation des ressources dans un système énergétique complexe au moyen de modèles fonctionnels

Modélisation multiphysique

L’une des dernières étapes de la conception consiste à développer le modèle multiphysique du système afin de valider plus finement son comportement à partir d’un ensemble de scénarios. Le modèle multiphysique du VE complet n’a pu être développé mais celui du sous-système thermique du VE a été élaboré par Sherpa Engineering et est brièvement présenté dans cette partie. Il a ensuite été couplé aux modèles fonctionnel et téléologique présentés dans les parties précédentes.

Architecture physique

L’architecture physique des circuits de chauffage et de refroidissement du soussystème thermique du VE, correspondant au modèle fonctionnel décrit dans la partie précédente, est représentée sur la Figure 2.13. Nous retrouvons les trois consommateurs principaux schématisés par des rectangles, les différents circuits de fluide qui échangent de la chaleur entre eux au travers des échangeurs, et les éléments qui permettent d’assurer un certain débit dans chaque circuit (pompes, compresseur, vannes trois voies, etc.). Le circuit réfrigérant possède deux modes de fonctionnement (chauffage ou climatisation), dont le basculement est assuré par un ensemble de vannes classiques (quadrilatères croisés) qui modifient le parcours du fluide frigorigène et de vannes d’expansion électronique (EXV) qui font varier le débit dans chaque branche à refroidir. La Figure 2.14 détaille l’activation (trait normal) ou non (trait fin sans remplissage) des différents composants pour chaque mode de fonctionnement. Ces deux modes sont les principaux mais ne sont pas exclusifs : il peut par exemple arriver en hiver d’être amené à réchauffer l’habitacle et refroidir la batterie simultanément. À partir de cette architecture physique, le modèle multiphysique peut être élaboré, il est représenté sur la Figure 2.15. Pour plus de clarté, les composants sont regroupés par ensembles qui correspondent à peu de choses près aux circuits de fluide auxquels ils appartiennent. Par exemple le bloc ”Electric Machine” contient la MEL (d’un point de vue thermique uniquement), une vanne trois voies, une pompe et  FIGURE 2.13 – Schéma de l’architecture physique des circuits de refroidissement et de chauffage du VE. Ba�erie Machine électrique Cabine Air ext Vers air ext Compresseur Résistance Chiller Évaporateur Condenseur à eau Échangeur Radiateur Évapo – Condenseur EXV EXV EXV Accumu -lateur CTP (a) Mode refroidissement. Ba�erie Machine électrique Cabine Air ext Vers air ext Compresseur Résistance Chiller Évaporateur Condenseur à eau Échangeur Radiateur Évapo – Condenseur EXV EXV EXV Accumu -lateur CTP (b) Mode chauffage. FIGURE 2.14 – Détail des deux modes de fonctionnement principaux du sous-système thermique. le radiateur. Les flèches fines sur le graphique représentent des efforts et leur couleur détermine leur domaine énergétique (rouge – électrique, bleu – hydraulique, orange – thermique). Les flèches épaisses représentent, pour le domaine hydraulique, le sens de circulation du fluide.

Couplage avec les modèles fonctionnel et téléologique

Pour pouvoir simuler le modèle multiphysique, il faut définir et implanter le contrôle de chaque composant du modèle. Pour cela, nous pouvons réutiliser les données fournies par le modèle fonctionnel ainsi que les stratégies d’arbitrage développées au niveau téléologique. Les informations communiquées par le modèle fonctionnel sont les puissances demandées et fournies, les disponibilités et acceptances de chaque élément fonctionnel, ainsi que les actions requises et réalisées par les actionneurs (assurer un débit ou une température). Il faut traduire ces données pour pouvoir les transmettre au modèle multiphysique. Par exemple, le bloc ”Battery cooling” est composé d’une pompe volumétrique, une vanne trois voies et une résistance thermique. Le débit dans les deux branches du circuit est assuré par la pompe et la vanne. La première est à vitesse de rotation ωpompe constante, elle est donc soit arrêtée lorsque la puissance demandée par l’élément fonctionnel ”Cond. thermique batterie” (voir Figure 2.8) est nulle soit active à régime fixe le reste du temps (refroidissement ou chauffage). À l’arrêt, son couple τpompe et sa vitesse de rotation, qui sont ses variables multiphysiques, prennent une valeur nulle et lorsqu’elle est allumée, ces variables sont déterminées à partir de sa cylindrée constante Cylpompe, du différentiel de pression ∆P entre l’amont et l’aval, du rendement mécanique ηmeca et de la masse volumique de l’eau ρeau selon (2.19).    ωpompe = Qpompe Cylpompe·ρeau τpompe = Cylpompe·∆P 2·π·ηmeca (2.19) La variable de commande de la vanne trois voies est son angle de position θ. Celui-ci est déterminé à partir du débit demandé par l’échangeur et d’un régulateur PI – θ vaut 0° (branche contenant l’échangeur obstruée totalement) lorsque le débit demandé est nul et sa valeur augmente jusqu’à 90° lorsque ce dernier est maximal (branche contenant l’échangeur ouverte et autre branche obstruée). Le débit massique Qech passant par l’échangeur est donc donné par (2.20). 44 Chapitre 2. Modélisation fonctionnelle    Qech = Qpompe · d(θ) avec d ∈ [0 1] Qech,max = Qpompe Qech,min = 0 (2.20) Enfin, les variables multiphysiques de la résistance thermique sont la tension Ures et l’intensité du courant ires. La tension est déterminée par celle de la batterie Ubat (considérée comme un générateur de tension et le circuit étant en dérivation) et l’intensité (ainsi que ses bornes inférieure et supérieure) à partir de la puissance demandée au transformateur ”électrique-thermique” Ntrans f o (ainsi que sa disponibilité Dtrans f o et son acceptance Atrans f o) dans le modèle fonctionnel et son rendement ηres selon (2.21) (loi d’Ohm) :    ires = Ntrans f o Ubat ·ηres ires,max = Dtrans f o Ubat ·ηres ires,min = −Atrans f o Ubat ·ηres = 0 (2.21) 2.4 Résultats de simulation Les caractéristiques des sous-systèmes électromécanique et thermique du VE utilisées pour les simulations présentées dans cette partie sont résumées dans le Tableau 2.3. La section 2.4.1 se focalise sur le sous-système thermique uniquement qui sera simulé pour des conditions climatiques difficiles, qui nécessitent un arbitrage entre les besoins de la batterie et ceux de la cabine. La section 2.4.2 présentera des simulations du modèle du VE complet avec des arbitrages entre les besoins mécaniques et les besoins thermiques pour suivre un itinéraire prédéfini jusqu’à sa destination finale.

Arbitrages thermiques

Dans cette partie sont étudiés les arbitrages entre les besoins des différents consommateurs thermiques, et plus particulièrement les besoins de refroidissement, dont les problématiques d’arbitrage sont plus importantes que dans le cas du chauffage. Dans un premier temps, nous considérons le modèle fonctionnel seul, puis nous ajouterons un superviseur global contenant les stratégies d’arbitrage définies au niveau téléologique et, enfin, cet ensemble sera couplé au modèle multiphysique.

Modèle fonctionnel seul

Le premier scénario S0 sur lequel le modèle fonctionnel est simulé, dont les caractéristiques sont données dans le Tableau 2.4, correspond aux conditions de fonctionnement du système lors d’une journée estivale ensoleillée sur un trajet de 40 minutes. Ce dernier est entrecoupé de 10 minutes de recharge rapide pendant laquelle les passagers restent dans le véhicule. La route est considérée horizontale tou au long du trajet pour simplifier l’analyse des résultats – la puissance thermique dégagée par la MEL, proportionnelle à sa puissance fournie, est alors constante pour une vitesse donnée en régime permanent. En outre, la température initiale de tous les éléments du système est prise égale à la température extérieure. Dans ce premier scénario, la stratégie de répartition de puissance incluse dans le contrôle du distributeur du circuit réfrigérant est une répartition ”proportionnelle”, c’est-à-dire que chaque consommateur est assuré de recevoir au moins un certain pourcentage de la puissance totale disponible s’il en a besoin. Il peut éventuellement recevoir plus si les autres consommateurs (en compétition avec lui) ne demandent pas toute la puissance qui leur est réservée. Dans ce cas, la priorité de chaque consommateur est fixée à 50 %. La Figure 2.16 donne les résultats de la simulation du modèle fonctionnel selon le scénario S0, notamment les profils de température de la cabine et de la batterie, les débits assurés par les actionneurs, les puissances fournies par le compresseur et échangées au sein des échangeurs principaux et le niveau de saturation du système au cours du temps.