INRETS LTE VEH 06/2007
La voiture hybrideMusée des Arts et Métiers
28 Juin 2007
F. BADIN - INRETS LTE
INRETS LTE VEH 06/2007
110
120
130
140
150
160
170
180
190
1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012
Years
CO
2 em
issi
on in
g/k
m
ADEME 05, EEC 03
ACEA
ACEA commitment2008
ACEA commitment2012
France
EVOL_CARAC_VEHIC
Est. +1200 € avg
Est. +2500 € avg
ACEA 07
Fleet averaged CO2 emissions trends
152
Perspectives futures ?
RenaultPSA
BMW
Toyota
INRETS LTE VEH 06/2007
Motoring
Braking Stop
INRETS
VEHLIB
B.S.
Motoring
B.S.
Motoring
Répartition en temps
Urban Road Motorway
Usage du moteur thermiquedans un véhicule conventionnel
Motoring
Braking Stop
Motoring
Braking Stop
Motoring
Braking Stop
Motoring
Braking Stop
Motoring
Braking Stop
INRETS LTE VEH 06/2007
INRETS
VEHLIB
Urban Road Motorway
Motoring
Braking Stop
Motoring
Braking Stop
Motoring
Braking Stop
Usage du moteur thermiquedans un véhicule conventionnel
Répartition en consommation
INRETS LTE VEH 06/2007Engine torque (Nm) vs rpm
Urban
INRETS
VEHLIB
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
210
210
215
215
215
225
225
225
250250
250
275275
275
300 300
300
400 400400
-50
0
50
100
150
Plage d’utilisationdu moteur thermique
210
210
215 215225
225
225
250
250
250
275275
275
300 300
300
400 400400
-50
0
50
100
150
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Extra-urban
Engine torque (Nm) vs rpm
SimulationSimulation
Usage du moteur thermiquedans un véhicule conventionnel
INRETS LTE VEH 06/2007
Transformateurirréversible
Produits de dégradation
Réservoird'énergie
Grande autonomie
Récupération d’énergie au freinagePas émissions locales de polluants possible,
Optimisation
Rechargeéventuelle
Système decouplage
Stockage d'énergie
Principe général
INRETS LTE VEH 06/2007
Transmission hybride série
Schéma de principe
Liaisons électriquesLiaisons mécaniques
Moteurélectrique
Réducteurdifférentiel
Contrôle Batterie
Contrôle
Géné.Moteur
thermique
Réservoir
INRETS LTE VEH 06/2007
Transmission hybride parallèle
Schéma de principe
Liaisons électriquesLiaisons mécaniques
E3Réducteurdifférentiel
E1B.V.
Moteurélectrique
ContrôleBatterie
E2
Cou
plag
e
Moteurthermique
Réservoir
INRETS LTE VEH 06/2007
Transmission hybride parallèleà dérivation de puissance
Schéma de principe
Liaisons électriquesLiaisons mécaniques
Moteurélectrique
Contrôle Batterie
E2
E1
E3Réducteurdifférentiel
Cou
plag
e
Moteurthermique
E1
1
2
B.V.
B.V.
Réservoir
Contrôle
Géné. Nissan Tino2000
INRETS LTE VEH 06/2007
Contrôle
Transmission hybride parallèleà dérivation de puissance
Liaisons électriquesLiaisons mécaniques
MachineVar. vitesse
Contrôle
Batterie
E3Réducteurdifférentiel
Trai
n ép
icyc
loïd
al
Moteurthermique
Réservoir
Machineélectrique
Schéma de principe (Prius)
Toyota Prius1997
INRETS LTE VEH 06/2007
Solution minimale (micro) :Conservation de l’architecture du GMP(typiquement 2,0 l essence et 1,6 l Diesel)
Machine généralement non intégrée 2 à 3 kW,• Batterie très proche de l’existante,• Gain en consommation urbaine : 5 à 10 %
Hybrides discrets
Alterno-démarreur 14 Vgestion optimisée de l’énergie électrique
INRETS LTE VEH 06/2007
-100
-50
0
50
100
150
200
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Cou
ple
en N
m
REP_MT_MG
Régime en Tr/mn
ME Mot
Démarrage du MT
Alterno-démarreur
Modes de fonctionnement
500
Moteur thermique
Génération de l’énergie optimumrécup. au freinage
ME Gén
INRETS LTE VEH 06/2007
Realizations
Denso Valeo Stars
Citroën C3 (11/04)and C2 (1/06)Toyota Crown
since 2001
GM Saturn
GM
~10000 ex since 1/2005
Japan France North America
S/S and more ?
Stop-start system
INRETS LTE VEH 06/2007
Potentiel de gain en consommation
Alterno-démarreurMILDHYB
INRETS GREENVALEO
PARAVH
INRETS VALEOEXIDE
ADEME
0
2
4
6
8
10
12
14
Fuel
con
sum
ptio
nga
in in
%
16
1
Vehicle type of use
MotorwayRoadNEDC (warm)UrbanJapan 10-15 modes
avg speed : 92 48 33 22 23 km/h
Relativetime at
stop31 %
25 %at stop
22 %at stop
10 %3.5 %
PARAVH_RES_CONS_1
INRETS LTE VEH 06/2007
Solution minimale (micro) :Conservation de l’architecture du GMP(typiquement 4,2 l essence et 3,0 l Diesel)
Machine non intégrée 4 à 6 kW,• Association batterie et supercondensateur,• Gain en consommation urbaine : # < 12 %
Hybrides discrets
Alterno-démarreur et récupération : 14 + Xgestion optimisée de l’énergie électrique
INRETS LTE VEH 06/2007
Solution intermédiaire (mild) :Modification minimum de l’architecture du GMP
• Machine généralement intégrée 10 à 15 kW,• Batterie 42 à 150 V, moins de 1 kWh,• Gain en consommation urbaine : 20 à 30 %
Hybrides discrets
Alterno-démarreur, récupération et boostergestion optimisée de l’énergie électrique
INRETS LTE VEH 06/2007
Effet booster
1000 2000 3000 4000 5000
Régime en tr/mn
Cou
ple
en N
m
Moteur thermiqueMachine électrique
(moteur)
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0
Démarragedu MT
Alterno-démarreur et booster
Modes de fonctionnement
Association moteurs thermique
et électrique
Machine électrique (générateur)
Récupération au freinageGénération de l’énergie optimum
INRETS LTE VEH 06/2007
Honda IMA
Electric machine
Insight
Civic
Accord
Grande compacité (< 1cm/kW)
Modifier au minimum l’architecture du GMP
Mise en oeuvre
INRETS LTE VEH 06/2007
Solution complète (full) :Modification profonde de l’architecture du GMP
• Machine de 30 à 50 kW,• Batterie 200 à 300 V, 1 à 2 kWh,• Gain en consommation urbaine : 30 à 40 %
Hybrides discrets
Alterno-démarreur, récupération,booster et mode électrique
INRETS LTE VEH 06/2007
Effet booster
Machine électrique (générateur) Récupération au freinage
Génération de l’énergie optimum
1000 2000 3000 4000 5000
Régime en tr/mn
Cou
ple
en N
m
Moteur thermiqueMachine électrique
(moteur)
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0
Alterno-démarreur, récupération, booster et mode électrique
Modes de fonctionnement
Démarragedu MT
Association moteurs thermique
et électrique
Mode toutélectrique
INRETS LTE VEH 06/2007
Un grand choix de fonctionnalités
Grande complexitéGrande compacité
Mise en place des composants plus délicate
Motorisation
Batterie
> 1 000 000 exdepuis 1997
Transmission hybride parallèle à dérivation de puissance
INRETS LTE VEH 06/2007
Average driving speed
IFP/COMP_CAT3V.xls
13 gasoline vehicle (3V catalyst)
Avg
Em
issi
on in
g/k
m
100
140
180
220
260
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5Urban NEDC Road Motorway
Prius 97 -20%à
25%
-30%à
40%-15% -3%
Prius 01
Results : Vehicle CO2 emission gain according to vehicle use
Comparaison Prius (1997 et 2001) avec des véhicules conventionnels
EVALVH
INRETS IFPARMINES GREEN
ADEME
INRETS LTE VEH 06/2007
Synthèse des apports pour les hybrides discrets
0 50 100 150 200 250 300 350 400-10
0
10
20
30
40
5055
Modeélectrique
Décollagevéhicule
Modehybride Récupération
vitessePuissance Mot électriquePuissance Mot thermique
km/h
and
kW
Time in s
Stop&Start
INRETS LTE VEH 06/2007
Evaluation des perspectives de gain
Difficile de déterminer précisément les sources de gain
0
50
100
150
200
CO
2em
issi
onva
lues
in g
/km
Conv. Hybride
EngineEng. operating area
S/S and regeneration
Usage Urbain
Toyota0
50
100
150
200
Conv. Hybride
HondaCO
2em
issi
onva
lues
in g
/km
Vehicle
CO
MPA
R_C
O2_
VEH
INRETS LTE VEH 06/2007
1290 kg150 W
BVrobotisée
Mot essence 83 kW
0-100 km/h
12.3 s
12.5 s
12.3 s
11.3 s
11.7 s
CONV
1300 kg150 W+BAT S/SAlt
Dém
1340 kg200 W
PM EM 18kW
42 V NiMH
Mot essence 69 kW
Parallèle
1360 kg#250 W
Split type transmission50 kW PM EM, 30 kW PM GEN
200 V NiMH ESS
Mot essence60 kW
1360 kg# 250 W
Split type transmission50 kW PM EM, 30 kW PM GEN
200 V NiMH ESS
Mot essencePrius 56 kW
Prius
Hypothèses
BVrobotisée
BVrobotisée
Parallèledériv P
Mot essence 83 kW
INRETS LTE VEH 06/2007
Rr
Aero
Int
8,7
27,6
91,5
Ph motrices
Axle
Elect.machine
Pla
neta
ryge
ar
I.C.engine
Fuel tank
DC/ACElect.machine
Brk9,4
Rr
Aero
4,5
16,4
Int91,5
Ph récup
DC/DC
DC/AC
BatteryTransmission
parallèle àdérivation de puissance
(type Prius)
DC/Aux.
Détermination des flux d’énergie dans les composants
127,8
61,258,9
53,9
11,2
63,4 47,25,5
64,4
95,1
53,3
60,3
79,3
59,5
1,9 134,6
58,1
132,3
2,3
43171,9
1,0
Wh/kmElectricMechanic
Urban type use
INRETS LTE VEH 06/2007
Transmission
I.C.engine
Moteurthermique
Récup.
Motrices
Besoinsvéhicule
Connaissance des principaux postes de pertes
Type d’usage du véhicule
INRETS LTE VEH 06/2007
PriusAlt-dém
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Engine lossesDrive train losses
Vehicle (regen)Vehicle (motoring)
CONV
Wh/km
~30 %~28 %
20 %18 %Engine eff
Parallèle Par dériv
33 %
Usage de type urbain
Répartition des pertes selonl’architecture hybride
INRETS LTE VEH 06/2007
-50
50
150
250
350
450
550
650
Engine lossesDrive train losses
Vehicle (regen)Vehicle (motoring)
Usage de type autoroutier
Répartition des pertes selonl’architecture hybride
Wh/km
34 %~32 %~30 %
27 %27 %CONV Alt-dém Parallèle Par dériv Prius
INRETS LTE VEH 06/2007
250280
280280
280320
320
320
320
400
400 400
600
600 600
250
280
280
280
280320
320
320
320
400
400400
600 600 600
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160CONV Alt dém
100 %90 %80 %70 %60 %50 %40 %30 %20 %10 %
Zone d’utilisation du moteur thermiquesuivant l’ architecture
18% 20%
250280
280
280
320
320
320
400
400 400600 600
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160Parallèle
28%25
0280
280
280
320
320
320
320
400
400 400600 600 600
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Par à dériv
30%
Usage de typeurbain
INRETS LTE VEH 06/2007
Cycle Hyzurb N°33 DI=-0.05Ah
225
22523
5
235235
240
240
240260 260
260
300300
300
400 400 400
600 600 600
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Regime en tr/min
0
20
40
60
80
100
Cou
ple
effe
ctif
en N
m
225
22523
5
235235
240
240
240260 260
260
300300
300
400 400 400
600 600 600
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Regime en tr/min
0
20
40
60
80
100
Cou
ple
effe
ctif
en N
m
Cycle Hyzauto N°35 DI=-0.095Ah
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
0
20
40
60
80
100
Regime en tr/min
Cou
ple
effe
ctif
en N
m
225
225
235
235
235
240
240
240
260
260
260
300300
300
400 400400
600 600 600
Urban
Engine operating area as recordedon a THS architecture
Extra-urban
100 %90 %80 %70 %60 %50 %40 %30 %20 %10 %
Chassis dynoCyl PressurePMF estimation
EVALVH
INRETS IFPARMINES GREEN
ADEME
INRETS LTE VEH 06/2007
Hybrides fonctionnels
Hybrides discrets plus des fonctionnalités complémentaires au bénéfice de l’utilisateur et/ou de la collectivité :
• Mode tout électrique avec autonomie,
• Recharge de la batterie sur le réseau,
• Motorisation répartie (4 WD),
• Alimentation électrique de bord.
INRETS LTE VEH 06/2007
Relation véhicule – réseau électrique
Pas deconnection
Charge sustaining
Marché del’énergie
Concept V2HV2GAlimentation
régulation
Transfertd’énergie
Plug-in HEVsCharge
depleting
INRETS LTE VEH 06/2007
Relation véhicule – réseau électrique
Echange d’énergie entre : • Le véhicule et l’habitat (V2H)• Le véhicule et le réseau électrique (V2G).
INRETS LTE VEH 06/2007
Conclusions
• Le gain en consommation est sensible au cycle d ’usage,• Ils combinent plusieurs innovations,
• Les véhicules hybrides permettent d ’atteindredes consommations très faibles (CO2),
• Leurs émissions sont très basses (Euro IV),• Leurs performances sont bonnes (dynamique, autonomie),• Ils peuvent apporter des fonctions supplémentaires.
+
• Leurs coût est encore élevé (+20 à 30 %, batterie, diesel ?),• Questions sur la fiabilité des composants
(batterie et électronique de puissance ?),• Les VEH s’inscrivent dans un contexte dynamique
(moteurs thermiques, transmissions, carburants).
-